超声波法在基桩完整性无损检测中的应用

朱 方 杰， 李 宗 耀

(1.葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌 443002;2.葛洲坝集团四川内遂高速公路有限公司，四川成都 610091)

1 概述

基桩具有沉降量小、单桩承载力高、施工工艺简单且适应于各种复杂的地质地理条件等优点，广泛应用于公路桥梁基础。基桩同时也是重要的隐蔽工程，受地质条件、施工工艺及施工质量的影响，桩身质量也很容易出现各种缺陷。单桩质量直接影响其上部结构物的可靠度，因此，基桩完整性检测至关重要。传统的检测方法有低应变反射波法、高应变动测法、超声波法及钻芯法。超声波法具有测试简便、确认缺陷位置及范围准确有效等特点而被广泛应用于公路桥梁基桩检测中。

2 超声波法的测试原理及数据分析判定

2.1 超声波法的测试原理

超声波测试的理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，由人工激振向介质(岩石、岩体、混凝土构筑物)发射超声波。超声波在混凝土中传播(即透射)时会有较强的反射、散射、吸收和波形畸变等一系列声学现象。对不同的物质性态，其声学现象具有不同的特点。超声波法检测是在成孔之后、灌注桩身混凝土之前，在孔内安装两根或两根以上的、竖直放置且相互平行的声测管，两两声测管即构成一个检测剖面，混凝土硬化后，声测管成为桩体的一部分。检测时，在声测管中注满清水作为耦合剂，将超声脉冲发射换能器(又称发射探头)和超声脉冲接收换能器(又称接收探头)分别置于两根声测管中，由超声检测仪发出一系列周期性电脉冲加于发射换能器，转换成超声脉冲，该脉冲穿过待测的桩体混凝土并为接收换能器所接收，在转换成电信号后由超声检测仪所接收，再由仪器中的测量系统算出超声脉冲穿过混凝土所用的时间(椐此及声测管间的距离推算混凝土的声速)、接收脉冲波幅值(或衰减值)、接收脉冲频谱、接收脉冲波形态等参数。将反复测量的桩体各测面上不同深度的这些数据传至计算机，由数据处理系统进行综合判断和分析，即可对桩体各部位混凝土缺陷的性质、大小、位置作出判断，绘制声速、衰减随深度变化曲线，给出桩体混凝土完整性的评价。

2.2 数据分析(依据JTG/T F81－01－2004)

(1)声速判据:实测混凝土声速值是否低于临界值并将其作为可疑缺陷区的判定，声速临界值按下列公式计算:

式中 υD为声速临界值为声速平均值;συ为声速标准差。

(2)波幅判据:实测波幅低于波幅临界值时，作为可疑缺陷区判定，波幅临界值按下列公式计算:

式中 AD为波幅临界值(dB);Am为波幅平均值(dB)。

(3)PSD判据:采用斜率法作为辅助异常判据，当PSD值在某测点附近变化明显时，应将其作为可疑缺陷区，PSD值按下列公式计算:

式中 ti为第i测点声时值(μs);ti－1为第i－1测点声时值(μs);zi为第 i个测点深度(m);zi－1为第i－1个测点深度(m)。

2.3 基桩完整性判定

(1)Ⅰ类桩:各声测剖面每个测点的声速、波幅均大于临界值，波形正常。

(2)Ⅱ类桩:某一声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值，但波形基本正常。

(3)Ⅲ类桩:某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值小于临界值，PSD值变大，波形畸变。

(4)Ⅳ类桩:某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值明显小于临界值，PSD值突变，波形严重畸变。

3 超声波测试在工程应用中的优点及局限性分析

3.1 超声波测试的优点

(1)缺陷定位精确。对于多缺陷桩，其他的检测手段，比如低应变反射波法实测时应力波在桩中产生多次反射和透射，对实测波形的判断非常复杂且不准确，第二、第三缺陷的判断会有较大误差;而超声波法通过测绳上的刻度，无论桩身存在一处或多处缺陷，超声波法检测均能准确的了解缺陷部位;

(2)准确判断桩身各种缺陷类型和范围，比如局部夹泥、包管或断桩等情况。其他的检测方法很难确定具体的缺陷范围，超声波法能通过平测、斜测、扇形扫侧等方法对桩身缺陷进行检测分析，准确识别桩身各处存在缺陷的大小及范围;

(3)能对大直径基桩进行详细且全面地检测。在大直径基桩的检测中，在桩身增设声测管数量，对基桩进行多剖面详细测试，检测剖面几可覆盖基桩全截面，准确评判基桩的完整性。

3.2 超声波测试的局限性

(1)超声波透射法仅适用于直径在800 mm以上的基桩。因为当桩径较小时，声测管间距也较小，其测试误差相对较大;同时，预埋声测管也可能引起附加的灌注桩施工质量问题，因此，测试前测量管间距一定要精确;

(2)超声波法不能对桩底沉渣的厚度范围做出定量分析。我们在测试过程中发现，许多施工单位在埋设声测管时，声测管并没有接触到桩底部，一般距离桩底大约5～10 cm，且测试时无法采用斜测、扇形扫侧等检测方法对缺陷进行详细的检测，因此不能准确判断沉渣范围。这时，就需要采用低应变反射波法或钻芯法进行比对验证，进而确定桩身完整性类别;

(3)不能测试桩身混凝土强度。

4 对实施超声波法进行现场检测时的几点建议

在超声波法基桩检测过程中，为准确获取超声波在基桩混凝土中传播的各个声学参量，并以其判定基桩的桩身质量，除检测人员必须具备相应的理论和一定的检测经验外，笔者提出了以下几点建议:

(1)检测宜由检测管底部开始，发射电压值应固定并应始终保持不变，放大器增益值也应始终固定不变。调节衰减器的衰减量，使接收信号初至波幅度在屏幕2/3左右为宜;

(2)应匀速提升换能器，在提升过程中要注意监测波形的变化;

(3)由于径向换能器存在指向性，斜测时以波形能稳定接收为度，其水平测角一般取30°～40°;

(4)要注意分析各声学参量发生变化的原因，避免误判。

5 结语

准确定位缺陷并确定缺陷的大小范围超声波法具有独特的优势，而且操作简便，试验周期短，工程应用性价比高，在公路工程基桩检测中应用的越来越多，测试精度也得到公众认可。当然，超声波检测法也不是万能的，我们应当抱着科学严谨的态度，依据不同的地质和施工条件，对基桩完整性进行正确的判断，避免错判、误判，在遇到可疑缺陷桩超声波法不能对基桩做出定性分析时，应采用其他检测手段进行比对验证，严格为工程质量把关。