基于聲波透射法的無損檢測技術在橋梁樁基檢測中的應用研究

史耀華SHI Yao-hua

（甘肅省交通投資管理有限公司，蘭州 730000）

0 引言

樁基作為建筑物的重要承載組件，能夠有效地將建筑物的荷載傳遞至地基，從而確保建筑物的穩定性。然而，樁基的質量控制在地基工程中占據非常重要的地位，它直接關系到建筑物的安全與使用壽命。在樁基施工過程中，由于環境等自然因素的干擾，可能會導致樁基出現如樁身斷裂、裂縫、不良變形等質量問題。傳統的樁基檢測方法，受限于工程量大、費用高昂、操作周期長等不足，亟需改進與優化。聲波透射法作為一種新興的檢測技術，其理論基礎源于聲波在不同介質間的折射與反射特性。通過精確識別聲波的傳播軌跡與變化特征來精準探測目標物內部的缺陷與損傷。其基本原理是利用一組收發信器發射聲波至被檢測物體，并通過測量聲波的反射、折射及透射等參數，如時間和能量，以解析物體的內部結構。聲波透射法不僅能以非破壞性和非接觸性的方式對樁基內部結構進行全面深入的探測，而且支持實時監測，為橋梁的運營與維護提供了強大的技術支持。

1 聲波透射法無損檢測技術原理

聲波透射檢測法的基本原理是利用聲波在物質中傳播時的特性變化來揭示材料的內部結構和性質。具體來說，就是當聲波在材料中傳播并遭遇到內部的缺陷或結構變異時，聲波的傳播特性如：聲速、聲強、頻率等，關鍵參數會發生相應的改變。借助于精密測量這些參數的變化情況，能夠精準推斷出材料的內部結構狀態及其物理性質，進而實現對材料的非破壞性、精準化的質量檢測與評估。這一方法的基本原理如圖1 所示，而其詳細的工作流程則可見圖2[1]。

圖1 超聲波透射法檢測樁身結構完整性原理圖

圖2 聲波透射法的工作過程

2 工程案例

2.1 工程概況

某特大橋全橋上部采用2×30＋（86＋2×160＋86）＋5×26m/2×28＋（86＋2×160＋86）＋2×26m 預應力連續剛構＋鋼混組合梁，橋梁全長679/619m，最大橋高約130m，下部采用柱式墩、柱式臺，鉆孔灌注樁基礎，現對大橋樁基采用聲波透射法進行了完整性檢測[2]。

2.2 檢測依據

中華人民共和國行業標準《公路工程基樁檢測技術規程》JTG/T3512-2020。

2.3 測試方法

首先，將超聲脈沖發射換能器和接收換能器放置于之前已經埋設的聲測管中，并確保管內充滿清水，以此作為聲波傳遞的優質耦合介質。在檢測環節中，確保發射換能器與接收換能器保持水平對齊，并進行精確的同步測量操作。同時，系統地采集并記錄各個測量點的關鍵物理參數，如聲時和波幅等，以便進行后續的數據分析和處理。當檢測到波幅或聲速出現異常（可能意味著該處存在潛在缺陷）時，需要在該測量點附近增加測量密度。為提高檢測精度，可以采用多點發射，并在不同深度進行接收的扇形測量法，或者實施高差同步的水平測量、斜向測量以及扇形掃描測量。這些測量方法的具體示意圖可參見圖3[3]。

圖3 平測、斜測和扇形掃測示意圖

2.4 檢測儀器

檢測儀器如表1 所示。

表1 主要儀器設備一覽表

2.5 樁基平面圖及聲測管

大橋樁基編號及平面圖見圖4；聲測管編號按路線前進方向頂點位置為A（1），順時針依次為B（2）、C（3）……以此類推如圖5 所示。

圖4 大橋樁基編號及平面圖

圖5 聲測管編號示意圖

2.6 判定標準

①Ⅰ類樁：指所有測量點的聲學參數均處于正常范圍，且接收到的波形也保持正常狀態。②Ⅱ類樁：在一個或多個剖面中，存在多個測量點的多個聲參量出現輕微異常，這些異常在深度和徑向方向上形成較小的區域。③Ⅲ類樁：在某一深度范圍內，一個或多個剖面中存在多個測量點的多個聲參量明顯異常，這些異常在深度或徑向方向上形成較大的區域。④Ⅳ類樁：在某一深度范圍內，多個剖面上的多個測量點的個別或多個聲參量異常嚴重，這些異常在深度或徑向方向上形成很大的區域。[4]

2.7 問題樁施工過程分析

在9 號樁的澆注作業中，當采用導管澆注技術澆筑至距離樁頂大約15m 的位置時，觀察到混凝土的使用量出現了輕微的增長，具體情況可參見圖6 的詳細展示。

圖6 9 號樁的高程——聲速（波幅，PSD）圖

2.8 問題樁數據分析

根據曲線圖分析，發現在15m 至19m 的深度范圍內，波速和波幅顯著偏低，且波形出現嚴重畸變，如圖7 所清晰展示。以AB 面為參考，針對缺陷較為明顯的AC 面進行了詳細檢測。采用概率法和半波法對數據進行處理，得出如表2 所示的結果。

表2 聲速與波幅參數

圖7 9 號樁缺陷處的波列圖

從表2 中數據可以看出，在17.3m 至38.9m 的深度范圍內，聲速接近或達到聲速的限定值。特別是在17.3m 和17.5m 這兩個深度點，聲速甚至低于限定值。同時，波幅在17.3m 至18.9m 的九個檢測點中，前七個點的波幅均低于波幅限定值?？紤]到此樁僅在AC 面存在較為嚴重的問題，而AC、BD 兩個主要截面并未發現明顯異常，綜合以上分析，該樁被判定為Ⅲ類樁。針對此類問題，建議采取壓漿處理措施以進行修復。

2.9 鉆芯取樣驗證

鑒于施工方對先前的檢測結果存疑，為進一步驗證，決定采用鉆芯取樣方法進行確認。對AC 面實施了鉆芯取樣，其結果如圖8 所示。

圖8 9 號樁的鉆芯取樣結果

從芯樣中可以清晰地觀察到一條顯著的裂縫，且芯樣的實際長度相較于樁的整體長度短了十幾公分。基于上述觀察可推斷在灌注過程中，當灌注深度達到約15m 時，可能發生了塌孔現象。塌孔導致的泥土掉落并被混凝土夾雜，從而對樁身的整體質量產生了不利影響[5]。

2.10 治理問題樁后的整體檢測結果

對問題樁采取壓漿處理后對整體樁基再次進行聲波透射法檢測結果均顯示良好，取得了不錯的整治效果。

3 結語

在橋梁樁基工程中，樁身可能存在的多種缺陷，如斷裂、縮頸離析、夾泥、空洞等，這些因素直接關系到整個工程的質量和安全。因此，采用聲波透射法對樁基質量進行全面檢測，已成為預防橋梁工程因樁基質量問題而產生重大安全隱患的重要措施。通過超聲波法在橋梁灌注樁基項目中的實際應用效果來看，該方法不僅具有檢測速度快、覆蓋范圍廣的優勢，還能提供準確的定量解釋。特別是對于大型灌注樁的樁身質量檢測，即評估混凝土的連續性和均勻性方面，超聲波法被證明是一種最為直觀且可靠的檢測手段。此外，聲波透射法樁基質量檢測技術作為當前無損檢測領域中的一種先進新型技術，其操作簡便、檢測精度高、不受具體樁基形態限制，并且檢測效率高。隨著我國科學技術的持續進步，這項技術的應用和創新前景非常廣闊。它不僅能有效提升工程質量的保障水平，還能為建筑企業帶來更高的經濟效益。