超聲波透射檢測(cè)技術(shù)在樁基中的應(yīng)用研究

摘 要：在施工作業(yè)中，由于樁底沉渣、混凝土初灌量不足、澆筑作業(yè)不連續(xù)、土層黏性大等多種原因，常會(huì)導(dǎo)致灌注樁出現(xiàn)不同程度缺陷。超聲波透射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠在無(wú)損狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)樁身質(zhì)量異常問(wèn)題的精準(zhǔn)評(píng)判。以某橋梁改造工程為例，在分析超聲波透射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用原理基礎(chǔ)上，闡述具體應(yīng)用流程及質(zhì)量評(píng)定方式，以此為同類項(xiàng)目檢測(cè)工作開展提供參考，為提升項(xiàng)目施工質(zhì)量起到應(yīng)用促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè)技術(shù)；灌注樁；樁基

中圖分類號(hào)：TU74" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2096-6903（2024）06-0073-03

1 工程概況

某危舊橋梁改造工程施工項(xiàng)目，工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，場(chǎng)地地層巖性由素填土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂組成，自上而下主要分為15層，主要為素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、層粉砂。工程施工過(guò)程中，采用跨孔超聲檢測(cè)儀，檢測(cè)已預(yù)埋聲測(cè)管的混凝土灌注樁樁身完整性，以判定樁身缺陷程度并確定其位置，為后續(xù)施工作業(yè)奠定良好質(zhì)量基礎(chǔ)[1]。本工程施工中，檢測(cè)樣品樁長(zhǎng)為19.5 m和23.5 m兩種規(guī)格，樁徑為1 400 mm，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C30，抽樣數(shù)量為8根。

2 超聲波透射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用原理

2.1 試驗(yàn)方法

預(yù)埋聲測(cè)管→聲測(cè)管注滿清水→儀器參數(shù)設(shè)置→換能器放入聲測(cè)管→采樣→數(shù)據(jù)分析→評(píng)定檢測(cè)結(jié)論→簽發(fā)檢測(cè)報(bào)告。

2.2 檢測(cè)流程

超聲波透射檢測(cè)技術(shù)在橋梁樁基檢測(cè)中的應(yīng)用，是利用樁身灌注成型過(guò)程中已經(jīng)預(yù)埋兩根或兩根以上的聲測(cè)管，利用聲波檢測(cè)儀采集聲測(cè)管中聲波換能器發(fā)射和接收的信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在進(jìn)行分析處理后，即可得出檢測(cè)結(jié)果。

2.3 檢測(cè)原理

超聲波透射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，需要在基樁施工前，依照技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)樁身直徑大小預(yù)埋一定數(shù)量的聲測(cè)管，為換能器留出通道。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將每?jī)筛暅y(cè)管作為一組，利用水的耦合，由一根聲測(cè)管中的換能器發(fā)射超聲脈沖信號(hào)，另一根聲測(cè)管負(fù)責(zé)接收信號(hào)，如此超聲儀便能夠接收到測(cè)定的參數(shù)并記錄存儲(chǔ)[2]。通過(guò)換能器由樁體同時(shí)向上依次檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基各個(gè)截面缺陷的精準(zhǔn)檢測(cè)。

在檢測(cè)中，超聲波脈沖發(fā)射源會(huì)在混凝土內(nèi)激發(fā)高頻彈性脈沖波，利用高精度的接收系統(tǒng)記錄，分析得出該脈沖波在混凝土內(nèi)傳播中的波動(dòng)特征。若混凝土內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面，會(huì)在缺陷面形成波阻抗界面。聲波在該界面會(huì)產(chǎn)生透射和反射，導(dǎo)致接收到的透射能量明顯降低。若混凝土內(nèi)存在松散、蜂窩及孔洞等質(zhì)量缺陷，波會(huì)產(chǎn)生顯著的散射和繞射現(xiàn)象，并呈現(xiàn)相應(yīng)特征。

在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可利用波的傳播時(shí)間、能量衰減特征、頻率變化、波形畸變等特征，分析出所測(cè)區(qū)范圍內(nèi)混凝土的密實(shí)度參數(shù)[3]。綜合測(cè)定不同側(cè)面、不同高度的超聲波特征，就能夠準(zhǔn)確判定測(cè)區(qū)內(nèi)混凝土的參考強(qiáng)度，內(nèi)部缺陷性質(zhì)、大小及空間位置，以此為樁基質(zhì)量評(píng)定提供準(zhǔn)確依據(jù)。

3 超聲波透射檢測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 準(zhǔn)備工作

為確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，在檢測(cè)作業(yè)前，應(yīng)當(dāng)做好如下方面準(zhǔn)備：①分析地質(zhì)勘察資料、設(shè)計(jì)資料、混凝土配合比等資料，把握樁基施工情況，確定整體檢測(cè)方案。②檢測(cè)時(shí)間應(yīng)當(dāng)在混凝土澆筑作業(yè)完成14 d后進(jìn)行，做好現(xiàn)場(chǎng)清理，消除作業(yè)中可能出現(xiàn)的疊加波現(xiàn)象，確保檢測(cè)結(jié)果精度。③選擇合適的儀器設(shè)備。本檢測(cè)中選用跨孔超聲檢測(cè)儀，型號(hào)為RS-ST06D（T）；聲時(shí)測(cè)讀精度為±0.1 us范圍內(nèi)，聲幅準(zhǔn)確度為3%，采樣間隔為0.1～1638.3 us；采用連續(xù)提升，多通道自動(dòng)循測(cè)方式進(jìn)行處理。④做好環(huán)境控制，定時(shí)檢測(cè)樁基固化效果，確保固化水平能夠有效滿足超聲波檢測(cè)要求，清理聲測(cè)管內(nèi)雜質(zhì)，確保后期檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)性。⑤選擇干凈的清水作為聲測(cè)管中的耦合劑，確保聲測(cè)管暢通，三腳架安放平穩(wěn)，確保卡口水平。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)作業(yè)中，必須要嚴(yán)格依照技術(shù)要求做好提升、下降，確保兩根聲測(cè)管中的換能器能夠準(zhǔn)確、同步升降，高度保持一致。超聲波檢測(cè)儀在接收到采集的信號(hào)后，將波形、波速、振幅、聲時(shí)頻率等參數(shù)，呈現(xiàn)在主機(jī)界面，并依據(jù)圖像曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基完整性的精準(zhǔn)評(píng)估。

超聲波透射檢測(cè)只能夠判斷出兩根聲測(cè)管之間的混凝土狀況，因此在檢測(cè)中，還需要對(duì)聲測(cè)管進(jìn)行兩兩測(cè)試，以得出更為全面的檢測(cè)結(jié)果。在檢測(cè)時(shí)如出現(xiàn)某一剖面檢測(cè)結(jié)果異常現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)采用加密測(cè)試方式，確定異常位置和具體大小。在同一根樁基檢測(cè)中，應(yīng)當(dāng)確保儀器相關(guān)參數(shù)不變，確保測(cè)試結(jié)果一致性。

檢測(cè)作業(yè)先是采用平測(cè)方式進(jìn)行，在同步提升或下降作業(yè)時(shí)，為有效控制誤差，應(yīng)當(dāng)使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，避免由于操作不當(dāng)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠精準(zhǔn)[4]。在整體檢測(cè)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況，利用發(fā)射器數(shù)據(jù)調(diào)整頻率，利用聲波檢測(cè)儀相對(duì)控制振幅，以此確保測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)性。

3.3 數(shù)據(jù)分析

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)完成后，需要對(duì)聲速、振幅及PSD等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判定，并根據(jù)聲速離散系數(shù)Cv值，判定混凝土勻質(zhì)性等級(jí)。樁身剖面聲波分析中，如聲速均勻無(wú)突變，聲幅衰減不明顯，高頻成分多，波形規(guī)則，則說(shuō)明混凝土質(zhì)量較為良好。在樁身剖面聲波分析中，如出現(xiàn)聲速增大、聲幅衰減、高頻衰減、波形畸變等情形，則說(shuō)明混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象。在樁身剖面聲波分析中，如出現(xiàn)聲速明顯增大、聲幅明顯衰減、頻率低、波形嚴(yán)重畸變甚至是無(wú)法采集的情形，則說(shuō)明存在斷樁或其他嚴(yán)重缺陷。

以本次檢測(cè)為例，某編號(hào)基樁樁徑為1 400 mm，樁長(zhǎng)為23.50 mm，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C30，在檢測(cè)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)出檢測(cè)曲線圖。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，3個(gè)剖面聲速平均值分別為4.332、4.372、4.405，變異系數(shù)分別為1.5%、2.0%、2.1%，遠(yuǎn)超出質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求。3個(gè)剖面波幅分別為103.3、103.5、100.0，變異系數(shù)分別為1.4%、2.0%、1.1%，同樣超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。依據(jù)曲線圖分析，缺陷較為顯著，無(wú)法滿足質(zhì)量設(shè)計(jì)要求。

3.4 質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

樁身混凝土均勻性是判斷樁身是否存在缺陷，以及缺陷嚴(yán)重程度的重要依據(jù)。依照相關(guān)規(guī)范要求，將樁身完整性分為四個(gè)等級(jí)。從樁身狀況嚴(yán)重性出發(fā)，分別為：①Ⅰ類樁，樁身完整。②Ⅱ類樁，樁身有輕微缺陷，但不會(huì)對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生影響。③Ⅲ類樁，樁身存在明顯缺陷，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有較大影響。④Ⅳ類樁，樁身出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，從Ⅳ類至Ⅰ類依次判定樁身完整性，對(duì)于只有一個(gè)檢測(cè)剖面的受檢樁，應(yīng)當(dāng)依照該檢測(cè)剖面代表樁全部截面的情況對(duì)待，對(duì)樁身完整性進(jìn)行判斷。

3.5 檢測(cè)結(jié)果分析

以本工程項(xiàng)目為例，聲波透射法檢測(cè)的具體結(jié)果如表1所示。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，所測(cè)8根受檢樁，按樁身完整性分類：Ⅰ類樁5根，Ⅱ類樁3根。部分樁身存在輕微缺陷，但對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力無(wú)顯著影響，施工質(zhì)量能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是在實(shí)際施工中，超聲波透射法還無(wú)法準(zhǔn)確判斷樁基缺陷類型，應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)情況、施工工藝及相關(guān)條件，進(jìn)行綜合判斷，并根據(jù)分析結(jié)果采取必要的處理措施，以確保整體施工質(zhì)量得以有效控制。

4 樁基混凝土缺陷綜合判定方法

4.1 樁身混凝土常見缺陷

利用超聲透射檢測(cè)技術(shù)對(duì)樁身缺陷進(jìn)行判定，實(shí)際操作過(guò)程中，受混凝土材料特性、施工人員操作水平、外部環(huán)境、儀器測(cè)距及耦合劑敏感程度影響，還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷現(xiàn)象的直接評(píng)估，因此應(yīng)當(dāng)從工程實(shí)際情況出發(fā)，采用綜合判定方法對(duì)常見缺陷進(jìn)行判定，以更為準(zhǔn)確地評(píng)估樁身質(zhì)量，為后續(xù)作業(yè)奠定良好的質(zhì)量基礎(chǔ)[5]。結(jié)合同類工程項(xiàng)目檢測(cè)案例，灌注樁通常存在如下4種缺陷：一是灌注樁樁頭浮漿現(xiàn)象，例如在某工程項(xiàng)目灌注樁檢測(cè)中，在樁頭部位出現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)連續(xù)突變現(xiàn)象，聲速和聲幅大幅下降，且小于參數(shù)臨界值現(xiàn)象，在剖面影像圖中，顯示該部位影像較為紊亂，突變波形顯示為異常。根據(jù)處理結(jié)果初步判斷在樁頭部位可能存在浮漿或塌孔等缺陷問(wèn)題。在進(jìn)一步了解中發(fā)現(xiàn)，在前期施工過(guò)程中，混凝土坍落度較大，攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超灌量不足。現(xiàn)場(chǎng)開挖及后續(xù)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，該部位存在有浮漿現(xiàn)象，且混凝土強(qiáng)度未到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要采取必要的返工處理。

二是灌注樁樁身離析現(xiàn)象，例如在某工程項(xiàng)目灌注樁檢測(cè)中，根據(jù)剖面聲學(xué)參數(shù)和深度曲線圖分析，發(fā)現(xiàn)在某一檢測(cè)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)聲速和聲幅連續(xù)大幅下降，其中部分區(qū)域數(shù)據(jù)小于參數(shù)臨界值，PSD參數(shù)出現(xiàn)異常變化，剖面影像圖顯示存在顯著偏離現(xiàn)象，還有部分區(qū)域聲速明顯低于正常值范圍，聲幅接近臨界值。從分析結(jié)果初步判斷該檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的混凝土強(qiáng)度不足，極有可能存在離析問(wèn)題。在進(jìn)一步了解中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)在降雨環(huán)境中進(jìn)行，在灌注時(shí)沒(méi)有采取有效的防雨措施，導(dǎo)致有雨水進(jìn)入導(dǎo)管而產(chǎn)生不同程度的離析現(xiàn)象。

三是灌注樁樁身夾泥或斷樁現(xiàn)象，例如在某工程項(xiàng)目灌注樁檢測(cè)中，根據(jù)剖面聲學(xué)參數(shù)和深度曲線圖分析，在某檢測(cè)區(qū)域中出現(xiàn)聲幅、聲幅和PSD線相互交織現(xiàn)象，聲學(xué)參數(shù)有明顯突變，聲速和聲幅均下降至正常檢測(cè)值以下。聲速的嚴(yán)重衰減導(dǎo)致缺陷處無(wú)法顯示正常波形，剖面影像圖像出現(xiàn)嚴(yán)重偏離，證明在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)可能存在較為嚴(yán)重的夾泥甚至是斷樁現(xiàn)象。在進(jìn)一步了解中發(fā)現(xiàn)，在施工作業(yè)時(shí)，混凝土配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)，坍落度較高，在灌注至該區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)卡管現(xiàn)象，施工中斷時(shí)長(zhǎng)達(dá)5 h。分析認(rèn)為在上層混凝土已經(jīng)初凝情形下，導(dǎo)致表面部位有大量沉渣聚集，還可能導(dǎo)致附近孔壁坍塌。在后續(xù)檢測(cè)處理中發(fā)現(xiàn)，該處有明顯斷樁現(xiàn)象，對(duì)施工質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。

四是灌注樁樁底部位出現(xiàn)沉渣現(xiàn)象，例如在某工程項(xiàng)目灌注樁檢測(cè)中，在某測(cè)定區(qū)間出現(xiàn)連續(xù)測(cè)點(diǎn)聲速和聲幅均大幅下降，且低于參數(shù)臨界值現(xiàn)象，PSD參數(shù)也明顯異常，突變波形基本處于水平直線狀態(tài)。經(jīng)初步判斷，該部位可能存在混凝土離析現(xiàn)象。

在進(jìn)一步了解中發(fā)現(xiàn)，該環(huán)節(jié)施工中，泥漿指標(biāo)控制不符合設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行清渣程序，導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿有較為顯著的失水和砂粒沉淀現(xiàn)象。在后續(xù)處理中發(fā)現(xiàn)，該灌注樁樁底部位有2 m以上的沉渣，且沉渣較為松散，強(qiáng)度明顯不足。

4.2 樁基混凝土缺陷的綜合判斷

由于混凝土材料復(fù)雜，在檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)參數(shù)波動(dòng)較大現(xiàn)象，即便是同一根樁同一深度，檢測(cè)結(jié)果也可能出現(xiàn)參數(shù)不一致現(xiàn)象，因此在當(dāng)前檢測(cè)作業(yè)中，有學(xué)者提出采用灰色系統(tǒng)理論方法，考慮各種因素對(duì)混凝土質(zhì)量判定的影響，將定性判斷轉(zhuǎn)變?yōu)槎颗袛喾绞剑源烁鼮榫珳?zhǔn)地評(píng)估樁基混凝土缺陷，為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)提供精準(zhǔn)依據(jù)。

4.3 超聲波檢測(cè)樁基實(shí)施要點(diǎn)

利用超聲波透射檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基整體質(zhì)量的判斷，是當(dāng)前樁基質(zhì)量控制和判斷的重要形式，在實(shí)施過(guò)程中需注意如下方面要點(diǎn)：

一是在施工過(guò)程中要做好聲測(cè)管預(yù)埋，確保埋管的平行對(duì)稱，確保后期能夠順利布置換能器。

二是必須在混凝土齡期達(dá)到14 d以上再進(jìn)行樁基完整性檢測(cè)，在檢測(cè)前需做好樁頭破除及平整性處理，避免在檢測(cè)時(shí)有混凝土渣掉落等現(xiàn)象。

三是要做好金屬聲測(cè)管與樁基下構(gòu)鋼筋籠的合理捆綁，所使用的超聲波檢測(cè)儀探頭直徑小于聲測(cè)管內(nèi)徑，確保探頭能夠自由升降。

四是檢測(cè)儀器應(yīng)當(dāng)由具備資質(zhì)的機(jī)構(gòu)檢定后再進(jìn)行作業(yè)，正式測(cè)定前需進(jìn)行調(diào)零設(shè)置，確保波形、波速、幅值等參數(shù)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

五是要選擇合適的采樣頻率，確保一次能夠完整獲取波頻特性數(shù)據(jù)，減少外部因素導(dǎo)致的檢測(cè)結(jié)果誤差，在綜合考慮漏波及疊加波等因素基礎(chǔ)上，做好綜合判定，以更為精準(zhǔn)地評(píng)估樁基質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

超聲波透射檢測(cè)技術(shù)在樁基質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用，具有操作便利、覆蓋面廣等特征，在具體應(yīng)用中，需要結(jié)合實(shí)際情況做好優(yōu)化，嚴(yán)格依照規(guī)范流程進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基質(zhì)量的精準(zhǔn)評(píng)估，以此才能夠準(zhǔn)確把握施工過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行優(yōu)化，為工程項(xiàng)目整體質(zhì)量控制奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧森旺.超聲波透射法檢測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用分析[J].四川水泥，2023（10）：266-268.

[2] 袁金興，陳文霜，陸敬輝，等.軟土樁基超聲波透射無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].天津建設(shè)科技，2022，32（4）：44-48.

[3] 羅宏.橋梁混凝土樁基檢測(cè)中超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（6）：171-173.

[4] 向子明.基于超聲波透射法的大直徑樁基缺陷檢測(cè)研究[J].公路與汽運(yùn)，2020（5）：129-133+144.

[5] 吳秀娟，超聲波.透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021（12）：160-161.