路橋樁基檢測中超聲波技術的應用

陳怡昕

（福建省高速公路集團有限公司龍巖管理分公司，福建龍巖 364000）

1 項目概況

廈蓉高速東陽大橋共有涉鐵樁基19 根，中跨8根，邊跨11 根，中跨樁徑為2.8m，樁長范圍為54～106m，分別布置在跨漳龍鐵路兩側，其距鐵路最小距離為6.4m。由于直徑大、樁長深、地質條件復雜（溶洞、易塌地層及斜巖），根據以往施工經驗，單根樁基施工工期最長達222 天（約7 個月），已成為制約該工程的控制性工程。由于其距離鐵路近，且溶洞多，為防止坍孔造成鐵路安全隱患，施工時采取了注漿預處理、使用鋼管向凝固樁周圍孔壁溶洞注漿、注漿固結孔壁等措施，從而使樁基的穩定性得以提升，完成樁基施工后，為了確保樁基的施工質量，對樁基進行了檢測，由于施工所在地地質條件比較復雜，采取超聲波技術對樁基質量進行檢測。該項目的樁基柱狀圖如圖1 所示。

圖1 樁基柱狀圖（單位：cm）

2 超聲波技術在路橋樁基檢測中的實際應用

2.1 技術應用原理

超聲波技術應用于路橋樁基檢測的主要原理是將超聲波傳播至混凝土內部時，觀察聲波、頻率、波幅以及波形出現的變化，據此推斷樁基混凝土存在的缺陷[1]。實際應用此項技術進行時，需要預先將聲測管埋置于混凝土結構的內部，同時保證聲測管內部注滿水，然后將換能器放置在注滿水的聲測管之中，在實際檢測時，換能器便能夠對電脈沖信號進行轉換，使之轉變成超聲振動，從而使超聲波穿透混凝土，再通過換能器將其轉變成電信號，然后通過專用的聲波分析軟件全面分析信號數據，得出分析報告。

然而，由于在混凝土的傳播過程中超聲波的聲強及聲壓會遞減，高頻聲波更容易衰減，因此在開展路橋樁基檢測時，采用的超聲波類型應為低頻超聲波。如果樁基直徑擴大會降低超聲波檢測的準確度，如果路橋樁基為嵌巖樁或者是支護樁，還應與低應變檢測方法結合應用檢測樁端部位，以保證檢測結果的準確性。

2.2 技術應用方法

2.2.1 基本檢測裝置

超聲波檢測的應用范圍比較廣泛，路橋樁基檢測是其中的一個方面。針對路橋樁基檢測需要配置專用的超聲波檢測設備，專門對樁基混凝土進行檢測。主要設備包括換能器、計算機、電纜、傳感器以及聲音探測器等。其中，換能器分為接收和發射兩種換能器，是超聲波檢測設備的主要構成部分，其主要是通過壓電圓環所產生的徑向振動對聲波信號進行收發，其底端一般裝置一個放大器，作用在于將信噪比增大，提升信號接收的靈敏度[2]。若在水中使用兩個換能器，必須將換能器置于潔凈水之中，避免水中的微小顆粒物或泥沙對超聲波檢測產生干擾，還要控制水流振動，防止其影響超聲波傳播。

2.2.2 安裝聲測管

在對該路橋樁基項目進行檢測時，需要預先將聲測管固定在鋼筋籠內部，然后通過套筒連接進行管道配置，還可采取對接焊接、螺紋連接等方式進行管道配置，其中套筒連接具有良好的效果。預留管道的作用在于確保檢測到指定位置，因此其埋深必須和樁底保持齊平，確保超聲波檢測的范圍能夠達到管底，從而掌握管底質量，同時需要保證頂部和底部密封嚴實，以免聲測管中摻入雜質和泥漿，導致聲測管發生堵塞。如果聲測管的強度、數量不足，檢測深度達不到要求，或是聲測管質量較差，導致混凝土泥漿滲透到管內，會影響檢測結果，導致誤判[3]。

2.2.3 具體檢測方法

（1）操作方法

超聲波檢測包含樁外孔、跨孔及單孔樁內三種檢測方法，該項目所選方法為跨孔檢測，因為這種檢測方法具有較高的可靠性，在實際樁基檢測項目中也比較常用，其他兩種方法均適用于特殊情況。開展實際檢測時，必須對每個樁基的整體進行檢測，該項目樁內各設置三根聲測管，實現樁內跨孔檢測。

樁內跨孔檢測可通過兩個換能器形成的相對高程變化，采取斜測、平測以及扇形掃描等多種方法實現檢測。可先選用平測法，確保兩個換能器出現在同一平面內，這樣可以全面覆蓋從樁基斷面檢測到的各類缺陷，如果發現內部缺陷，發射換能器固定不動，此時接收換能器會處于內部缺陷處附近，并以扇形上下移動的方式進行檢測，從而進一步確認缺陷的具體位置及大小。

（2）樁基混凝土缺陷類型

根據以往的檢測經驗可以了解到，樁基混凝土的缺陷類型包含三種，分別為局部缺陷、縮頸或附著泥團、斷樁或層狀缺陷。

其中，對于局部缺陷，采取平測可將其檢出，但往往需要再通過斜測進行確認，如果平測和斜測中有一種檢測出現異常，則可將其判定為局部缺陷，其具體位置在平測和斜側測線交叉點處。

若出現縮頸或附著泥團的情況，則通過平測檢測出異常情況之后，可采用斜測核實，缺陷位置通常在聲測管周圍或邊緣部位。如果聲測管兩端均進行了測試，并且測試結果為異常，則說明該聲測管已經被泥團包裹。

斷樁或層狀缺陷可采用平測以及斜測的方式進行檢測，如果平測和斜測的測線處均出現異常狀態，說明聲測管周圍或邊緣部位的缺陷已經呈連續片狀形態[4]。

（3）注意事項

因該項目路橋樁基檢測可能會影響承臺施工，因此開展實際檢測時要注意一些事項，從而保證超聲波檢測的準確性。

首先，多數樁基缺陷均會體現在澆筑階段，檢測之前必須全面了解樁長、澆筑及所用材料情況，及時排除外界干擾因素，從而有效節約檢測時間。

其次，應該抓住檢測時機，在混凝土齡期達標后即刻開展檢測，不可將檢測工作提前。

再次，若出現堵管問題，要對兩個換能器的高度進行調整，將兩個換能器之間的夾角控制在合理范圍內。如果堵管過長，則應該采取其他檢測方法對整個樁基實施檢測。

最后，聲測管中的水必須保持注滿狀態，且為純凈水。

2.3 應用評價

2.3.1 聲速和聲幅

混凝土具備一定的彈性性能，因此超聲波可以從中傳播，并如實反映混凝土內部的組成關系。實際上，聲速越大，表明混凝土的強度越強，混凝土質量越好；反之，聲速比較小，說明混凝土澆筑質量易出現問題；聲速比較小，同時伴有連續性的特點時，則能判定混凝土缺陷真實存在。判斷聲速時可采用低現值法以及概率法，實測發生聲速異常，但測點的聲速未發生異常，且比混凝土波動常規值低時，需要采用低現值法；樁基澆筑時，受材料質量和其他施工因素影響，導致缺陷位置聲速與正態分布規律存在沖突，可采用概率法判定混凝土是否存在缺陷。

使用超聲波技術開展樁基檢測時，聲幅（一般代表首波波幅）可以真實反映混凝土的均勻性和完整程度，檢測過程中聲波能量會逐步衰減，雖然會在一定程度上影響檢測結果，但存在缺陷的混凝土中，聲波能量的衰減程度要比正常混凝土衰減程度大，因此，衰減值是判定混凝土質量的重要指標。例如，當混凝土出現孔洞、蜂窩及離析等病害時，超聲波在發射、接收的整個過程中，會受樁基內部介質影響而產生折射、反射及波形交換等一系列情況，所形成的復雜波束在儀器設備上會顯示出比較復雜和頻繁的信號，必須通過持續的觀察準確判斷信號間存在的差異，從而確定聲幅、聲速等指標與混凝土質量之間的關系。

2.3.2 超聲波頻率和波形

超聲波一般由若干頻率波構成，這些頻率波存在高低之分，在混凝土內部中的衰減效果也存在差異。如果樁基混凝土質量存在問題，超聲波發生衰減時會存在能量損失，從而造成接收波的頻率減緩，在混凝土質量及項目施工環境的影響下，主頻率的穩定性較差，其在實際檢測中可用于輔助判定。

波形可判斷樁基是否完整，波幅、聲速以及PSD在判定時均需要借助首波完成計算，檢測者一般需要結合這三項指標進行質量判定，但由于一些混凝土存在多相復雜性，可能導致混凝土質量缺陷易發生誤判，如將缺陷不明顯的混凝土視為質量合格的混凝土。

波形一般在超聲波發射后呈疊加形式，形成的波束有不同的傳播路徑，波束前鋒被接收探頭感應的時間各不相同，以此獲取樁基混凝土內部的各類信息。在正常混凝土內部環境下，聲波的首波具有高振幅、無畸變、陡峭等特征，通過混凝土缺陷部位時，首波將會出現平緩、低振幅、喇叭狀等特征，開展樁基檢測時，可利用波形判斷混凝土是否存在質量缺陷。

2.3.3 PSD 的判斷依據

PSD 主要是指在樁基的某一位置，依照PSD 值結合波幅出現的變化，對異常點進行判定。判定原理是樁基的剖面位置所測聲時往往會伴隨測點高程出現的變化而變化，若混凝土出現缺陷，則測點與聲時之間的關系會出現變化，但聲時不會隨測點變化而隨意變動。PSD 判斷對聲時具有指數放大作用，在混凝土的缺陷位置，PSD 值的反應比較強烈，同時PSD 可消除聲測管不平行狀態、混凝土不均勻狀態等影響因素，其在判斷混凝土是否存在缺陷方面有較強的敏感性。

2.4 檢測結果及分析

通過超聲波技術對該項目樁基進行檢測，該項目12#樁基的檢測結果如表1 所示。通過表1 可以了解到，在跨距一定的條件下，PSD 值上下波動比較強烈，最大差值為100μs2/m，首波波幅也出現波動，最大差異可達到3.4dB。從聲速指標來看，隨著深度的不斷增加，聲速值總體增加，但在樁基距地面0.9～1.2m的位置，聲速出現明顯波動，說明此處混凝土質量存在缺陷。通過綜合判定，認為該項目樁基混凝土質量存在缺陷。經過處理后再次采用超聲波進行檢測，各指標均合格。

表1 該項目12#樁基超聲檢測數據

3 結語

綜上所述，超聲波技術是一種常用且有效的路橋樁基檢測方法，可以對混凝土內部缺陷進行檢測，從而確定樁基質量，但該技術在實際應用中，必須嚴格按照要求和規定做好檢測準備工作，在檢測過程中按照技術規程進行操作，保證聲測管合理安置，并綜合運用扇形掃描、斜測和平測等多種方法對混凝土缺陷進行檢測，以提升檢測質量。該項目采用超聲波技術對12#樁基進行檢測，得到了樁基內部缺陷信息，準確定位了樁基缺陷位置，為樁基加固處理提供了信息支持。