基于低應變反射波和超聲波透射法的公路基樁完整性檢測技術研究與應用

中圖分類號：TU473.16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)20-0181-04

Abstract:Theapplicationoflow-strainreflectedwavemethodandultrasonictransmisionmethodinhighwayfoundationpile integritytestingisexplored.Thelow-strainreflectedwavemethodsetsanexcitationpointatthecenterpointofthepiletop， arrangessensorsaroundit，emitselasticwavesfromtheexcitationpointandcapturesthereflectedwaveswiththesensors， calculatesthewavespedandcombinesthereflectionattheendofthepiletojudgetheintegrityofthepilebody;The ultrasonictransmissionmethodtransmitsandreceivesultrasonicwavesthroughtransmitersandreceiversembededinthe acousticmeasuring tube，andcalculatesthespeedofsound，amplitude，etc.todetectandverifypilebodydefects.Takinga highwaybridgefoundationpileasanexample，itwasinitallyjudgedthattherewasasuspecteddefectivereflectionabout13 metersbelowthepiletopbasedonthetimedomaincurveofthelow-strainreflectedwave.Theultrasonictransmisionmethod wastheusedtoverifyit.Theresultsshowedthattheconcreteacousticparameterswereabnomalat12.8to13.2metersaway fromthepiletop.Thetestresultsofthetwomethodswereconsistent.Comprehensiveanalysisandjudgmentofthewaveforms measured by the two methods were used to determine that the pile body had slight defects.

Keywords:low-strainreflectedwave；ultrasonictransmissionmethod;highwayfoundationpile；integritytesting;pilebody testing

橋梁是公路工程的重要組成部分，尤其是對于穿過山嶺、跨越江河的公路，橋梁工程的占比更高。基樁在提高橋梁承載力、保證橋梁結構穩定性方面發揮了至關重要的作用，其施工質量主要取決于基樁完整性。常規的完整性檢測方法是鉆芯取樣，屬于有損檢測，會對基樁結構產生一定的損害。相比之下，低應變反射波法和超聲波透射法均屬于無損檢測，無論是從安全性還是便捷性上均有特殊優勢，因此在公路基樁的完整性檢測中得到了推廣應用。2種方法的適用范圍、檢測原理和優缺點各有差異，在實際應用中需要結合工程情況靈活選擇，必要時可以綜合應用2種方法，達到優勢互補的效果，以提高檢測結果的可信度。

1基于低應變反射波的公路樁機完整性檢測

低應變反射波法又稱為“錘擊法”，將激振設備布置在樁頂并施加錘擊荷載，隨后沿著樁身產生縱向彈性波，如果樁身存在缺陷(如擴徑、縮徑、斷樁等)會導致彈力波發生反射及透射。利用樁頂的傳感器接收彈力波并計算傳播速度、傳播時間、反射波形狀，分析缺陷類型和位置，根據分析結果判斷基樁完整性（如圖1所示）。

1.1激振點與傳感器的布置

對于混凝土灌注樁，激振點一般設置在樁頂的中心位置，傳感器安裝在距樁中心2/3半徑處（如圖2所示），且距離基樁的鋼筋籠的主筋不小于 50mm 。常用的傳感器有力傳感器、加速度傳感器等，應在現場進行對比試驗選定，短樁或分辨淺部缺陷樁時，宜采用窄脈沖低能量激振，長樁或深部缺陷宜采用寬脈沖大能量激振，選用不同重量和材質的力棒具體布置。

根據以往檢測經驗，如果公路基樁直徑較大并且存在缺陷，由于傳感器位置不同獲得的時域曲線也會表現出明顯差異，因此要根據基樁實際情況靈活選擇測點位置及測點數量，一般來說，樁徑不超過 1000mm 的，測點數不少于2個；樁徑超過 1000mm 的，測點數應設置3\\~4個，并以樁心為中心對稱布置。

1.2 樁頭預處理

公路基樁由于澆筑工藝的影響，通常會有樁頂浮漿密實度差的情況，與下部樁身混凝土之間存在間斷界面。當錘擊激振點時發出的彈力波在該界面發生反射，導致彈力波的能量降低，不利于樁身缺陷的檢出。因此在檢測前要使用工具鑿除樁頂浮漿，以露出堅實的混凝土面為宜。為了獲取更高質量的樁身完整性信號，需要打磨樁頂混凝土面，使其平整密實，保證傳感器安裝后與樁頂面垂直，并選擇合適的黏合劑，使得傳感器黏結牢固、耦合良好，獲得較大的與被檢樁的接觸剛度。

1.3基樁檢測完整性評定標準

依據JTG/T3512—2020《公路工程基樁檢測技術規程》，樁身完整性判斷標準見表1。

1.4 基樁缺陷識別

彈力波的傳播速度(波速)是判斷樁身有無缺陷的重要指標，其計算公式為

式中： L 為樁的設計長度，單位為 m;c 為波速，單位為m/s;ΔT 為彈力波從發出到接收的時間差，單位為s。

當公路基樁存在缺陷時，該缺陷的位置可以通過下式求得

式中： x 表示缺陷與樁頂之間的距離，即缺陷深度，單位為 m;c 表示波速，單位為 m/s;Δt 表示樁頂與缺陷所在位置反射波的時間差，單位為 ms 。

為了準確判斷被檢樁的質量和推算缺陷的位置，應事先利用一定數量完整樁的反射波波形獲取同一項目的樁身波速平均值；時間差根據檢測設備自動計算。

公路基樁常見的缺陷有樁身斷裂、擴徑、縮徑、樁底沉渣、樁身夾泥等類型。在低應變反射檢測時，這些缺陷的時域曲線具有一定特征，根據時域曲線的特征初步判斷所述的缺陷類型。

2基于超聲波透射法的公路樁基完整性檢測在基樁外側對稱綁扎一定數量的聲測管，并向聲測管內注入清水充當耦合劑。一個聲測管放入超聲波發射器，另一個聲測管放入超聲波接收器。發射器將電能轉化成機械能并在混凝土樁中傳播，另一側的接收器捕捉機械波并將其轉成計算機可識別的電信號。經過分析計算，可以得出超聲波的聲參量，通過波速、波幅、PSD、波列等聲參量綜合分析評判，可以得出樁身完整性2。通常來說，聲速和波幅越大則樁體密實性越好，越小則樁體越松散，可能存在蜂窩、裂縫、離析等質量問題。

2.1 現場檢測技術

在現場檢測中，根據樁徑確定聲測管的埋置數量，對于樁徑不超過 1000mm 的埋置2根即可，樁徑超過 1000mm 且小于等于 1600mm 需要理設3根，樁徑超過 1600mm 且小于 2500mm 需要埋設4根，均為對稱分布（如圖3所示)。聲測管均為中空金屬管，內徑要比換能器的外徑大 20mm 左右，兩端封堵以防漏水。聲測管的底部與樁底齊平，管口應超出混凝土頂高程至少 100mm 。另外在檢測前還應做以下準備工作： ① 待測公路基樁的混凝土齡期至少要在 7d 以上； ② 聲測管內注滿清水，并對儀器進行延遲時間標定； ③ 測量聲測管的內徑、外徑，測量精度為 0.1mm 對稱2個聲測管的外壁距離，精確到 1mm ④ 超聲發射點與接收點的相對高差不得超過 20mm ，保證信號能正常接收。

超聲波透射檢測基樁完整性中，根據發射點與接收點的關系不同，可以分為對測、斜測、交叉斜測、扇形掃測4種方式，如圖4所示。

一般來說，首先選擇對測法進行完整性檢測，如果檢測出基樁有缺陷，再使用其他方法輔助定位，確定缺陷的具體位置。檢測步驟如下：參考深度標記將發射器和接收器置于2根聲測管中，并到達指定深度。啟動超聲波發射裝置，同時記錄超聲波接收信號并繪制超聲波曲線，讀取首波峰值、聲時、波幅等聲參量參數。對于聲時值和波幅值出現明顯異常的部位，應采用水平加密、雙向斜測或扇形掃測進行局部細測，確定樁身混凝土缺陷的位置、大小和嚴重程度；上述細測的測點間距不應大于 100mm ，局部斜測時2支換能器發射、接收部分的中心連線與水平面的夾角不應小于 30^° 。對于同一根基樁進行對測和斜測時，必須保證超聲儀器的發射電壓等參數完全一致。

2.2 檢測數據分析及判定

超聲波的傳播速度 (v )可通過下式求得

式中： l 表示2根聲測管外壁之間的最短距離，單位為 mm;t 表示超聲波的聲時值，單位為 μs ，計算式如下

式中： t₁ 表示超聲波在第 i 個測點時的聲時測量值， t₂ 表示系統延遲時間， t₃ 表示聲時修正值，單位均為 μs 。如果是測得的聲速值 v 低于聲速臨界值 V ，排除管斜影響后，則認為被測基樁存在可疑缺陷。正常樁與缺陷樁的聲速-深度曲線如圖5所示。

除了以聲速作為缺陷判斷依據外，在實際檢測中還會選擇波幅、PSD(功率譜密度）作為依據。根據相關規定，以被測基樁超聲波的波幅平均值減去6dB作為臨界值，如果實際測量的波幅低于臨界值，說明被測基樁有疑似缺陷4。對疑似缺陷做進一步確定時，可以使用PSD作為判斷依據。如果PSD值在某個測點附近產生異常，即可確定缺陷范圍，該值的計算式如下

式中： t_i 和 t_i-1 分別表示第 i 個和第 _i-1 個測點的聲時實測值，單位為 μs;m_i 和 m_i-1 分別表示第 i 個和第i-1個測點的深度，單位為 m 。

3低應變反射波法和超聲波法在基樁完整性檢測中的應用

低應變反射波法的優勢在于方便性與靈活性，但是在實際應用中也存在缺點，例如缺陷較深時不能測出，以及只能定性判斷有無缺陷，而無法辨別具體的缺陷類型等。因此為了提高檢測結果的精確性，通常需要結合超聲波法對公路基樁的完整性檢測結果進行驗證。選擇某高速公路 K40+308 立交橋的1號樁作為基樁，分別運用2種方法進行樁體完整性檢測。該樁的施工時間為2022年8月23日，檢測時間為2022年10月17日，樁長 16m ，樁徑 1150mm ，樁端為弱風化巖。其中，基于低應變反射波的時域曲線如圖6所示。

由圖6可知，該樁時域曲線的樁端反射較為明顯，存在缺陷反射波形。根據一維彈性波動原理，把被檢樁視為一維的彈性均質桿件，當在樁頂采用力錘施加一道豎向沖擊荷載時，會產生壓縮入射波以一定的波速沿樁身向下傳播，在遇到樁身波阻抗明顯變化的界面(如沉渣、離析、夾泥等材質變化)或樁身截面積變化(擴徑或縮徑)區域時2，壓縮入射波在波阻抗界面將分成反射波和入射波，人射波繼續向下傳遞，反射波被預先安裝在樁頂的傳感器接收并做放大、濾波和數據處理，識別出樁身不同部位的反射信息，與圖6中規律相符。由此可以看出，在基樁約 13m 處產生同向反射現象，根據低應變法樁身完整性類別評判表，判斷被檢樁屬于輕度缺陷。為了確保公路橋梁的安全性，在現場檢測時還綜合應用了超聲波透射法進行缺陷驗證，以減少誤判，經現場采集，該樁超聲波測試聲參量圖形如圖7所示。

從圖7可以看出，在距離樁頂 12.8～13.2m 處的位置，1-2剖面樁體超聲波檢測時出現了波速、波幅突然降低、聲時值增加、并有PSD突變的情況。疑似缺陷深度范圍與低應變反射波法的檢測結果基本一致。綜合2種方法的檢測結果，同時依據低應變及超聲波檢測判定原則，判定被測基樁在 8～9m 處存在輕度缺陷，該檢測結果可靠準確，為實際工程提供了參考。

4結束語

作為公路基樁完整性檢測中常用的2種技術，低應變反射波法的優勢在于設備要求低、操作方便、靈活性好，但是當樁體存在多個缺陷時容易錯判、漏判；超聲波透射法的優勢在于對準確性相對較高、靈敏度高，尤其適合深度缺陷檢測，但是需要提前埋設聲測管，且對于其垂直度要求嚴格，否則容易出現數據失真情況。在公路橋梁基樁的完整性檢測中，可以將2種技術結合起來，首先用低應變反射波法判斷是否有缺陷，當檢測結果表示存在缺陷后，再使用超聲波透射法對缺陷的位置、類型進行驗證。綜合2種檢測方法的結果，讓技術人員對被測基樁的完整性有一個全面的了解，從而為后續的基樁處理提供依據，對保證公路橋梁的結構安全有積極幫助。

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