声波透射法在大直径灌注桩完整性检测中的应用

林高杰,汪纯亮

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断及加固技术交通行业重点实验室,天津300456;2.天津博迈科海洋工程有限公司,天津300457）

由于大直径灌注桩施工技术要求高，程序较为复杂，在施工过程中很容易出现质量问题，因此对桩的质量检验就显得尤为重要。目前对灌注桩的质量检测主要从两个方面进行，桩的承载力和桩身完整性。一般在设计无误的前提下，如果桩身完整性达到要求，桩的承载力一般都能达到要求，而承载力合格的桩，其完整性不一定能满足要求［1］。因此对于混凝土灌注桩来说，桩身完整性检测就尤为重要。目前常用于灌注桩完整性检测的方法主要有声波透射法、低应变法和钻芯法。

1 概述

当检测桩桩长、桩径较大，或桩周地质条件复杂时，如果采用低应变反射波法检测桩身完整性，其结果的准确性将大大降低。根据多年的实测经验，桩长不宜大于40 m，桩径不宜大于2 m。

钻芯取样法具有直观和实用等特点，在大直径灌注桩检测方面应用较广。但由于存在耗时长、费用高，以点代面易造成漏判等缺点，不宜大规模检测。

声波透射法与以上两种检测方法相比，具有较显著的优点，主要表现为，不受桩长、桩径、场地等条件限制，能够较大范围的覆盖桩身的各个横截面，且测试结果较准确，具有其他检测方法不可替代的优势。

2 声波透射法检测的基本原理

声波透射法检测混凝土灌注桩主要采用桩内跨孔透射法，通过在桩内埋设两根或两根以上的声测管，把发射和接收换能器分别置于两管道中。声波由发射换能器发射，穿过管间混凝土后被接收换能器接收，准确测定声波经混凝土传播后各种声学参数的量值及变化，进而推断混凝土的完整性情况。

由于混凝土质量的随机波动不可避免，其质量波动符合正太分布，那么正常反映混凝土质量的指标声速是服从正态分布的随机变量。确定随机变量临界值，也就是确定区分随机波动与过失误差的一个判断标准，凡低于这个标准的取值就认为偏离了正太分布规律，是异常值。声速临界值应按下列步骤计算。

将同一检测面各测点的声速值vi由大到小依次排序，即

式中：υi为按序列排列后的第i个声速测量值；n为检测剖面测点数；k为从零开始逐一去掉vi序列尾部最小数值的数据个数。

对从零开始逐一去掉vi序列中最小值后余下的数据进行统计计算，当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括vn-k在内的余下数据v1～vn-k按下列公式进行统计计算

式中：v0为异常判断值；vm为（n-k）个数据的平均值；SX为（n-k）个数据的标准差；λ为查得的与（n-k）相对应的系数。

将vn-k与异常判断值v0进行比较，当vn-k≤v0时，vn-k及其以后的数据均为异常，去掉vn-k及其以后的异常数据；再用数据v1～vn-k并重复（2）～（4）的计算步骤，直到vi序列中余下的全部数据满足

此时，v0为声速的异常判断临界值vc。声速异常时的临界值判据为

波幅异常时的临界值判据应按下列公式计算

式中：Am为波幅平均值，dB；n为检测剖面测点数。

当式（8）成立时，波幅可判定为异常［2］。

3 混凝土内部缺陷对声学参数的影响

声波透射法评价灌注桩桩身完整性，是通过测定声波经过混凝土后各声学参数的量值得出的，主要的声学参数有波速、波幅、频率和波形。

声波在混凝土中的传播速度是混凝土声学检测中的一个主要参数，混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，也和混凝土内部结构有关。当声波在传播路径上遇到空洞时，由于混凝土与空气的特性阻抗相差很大，声波将沿空洞的边缘传播而产生绕射，所测得的声时比正常混凝土要长，计算的声速对应较小。如果在传播路径上遇到较为松散的材料，将绕过缺陷分界面或直接穿过低声速材料，测得的声速也会比正常部位小。

波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的指标之一，它的强弱与混凝土粘塑性有关，接收波幅值越低，混凝土对声波的衰减就越大。在灌注桩声波透射法检测中，一般通过水进行耦合，但要注意径向换能器处于居中位置，如果声测管与换能器相差较大，需要安装定位器，确保幅值的影响较小。

接收波主频率实质是介质衰减作用的一个表征量，声脉冲穿过混凝土后，各频率成分的衰减程度不同，高频率部分与低频率部分相比，衰减较严重。当混凝土中存在缺陷时，衰减也较为严重，接收波的主频率明显偏低。

声脉冲经过混凝土缺陷界面时，会产生反射和折射，许多同相位或不同相位波束的叠加，将导致波形发生畸变，因此可根据波形畸变程度判断混凝土的缺陷程度。

4 声波透射法检测数据的判断分析

在声波透射法完整性过程中，如何利用采集到的声学参数，发现桩身混凝土缺陷，评价桩身混凝土质量，从而判定桩的完整性类别是我们检测的最终目的，同时也是声学检测中的一个难题。相对于其他判据来说，声速的测值是最稳定的，可靠性也最高，而且测值有明确的物理意义，与混凝土强度有一定的相关性，是进行综合判定的主要参数。波幅测试值是一个相对比较量，本身没有明确的物理意义，其测试值受到许多非缺陷因素的影响，测值没有声速稳定，但它对混凝土缺陷很敏感，是进行综合判定的另一重要参数［3］。

在实际检测过程中，要将各种判据区别对待，采用以声速和波幅判据为主、频率和波形判据为辅的综合判定法，对全面反映混凝土的质量是较科学的处理方法。

5 混凝土龄期对检测数据的影响

规范规定，当采用声波透射法检测时，受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15 MPa［2］。大量的实测经验表明，当养护龄期较短就进行声波透射法检测，往往会发现桩顶3 m左右范围内出现波速偏低，波幅偏小的现象。建议在桩身混凝土养护龄期14 d以上进行声波透射法检测，寒冷季节应适当加长养护龄期。对于添加了粉煤灰或减水剂的混凝土，建议至少达到21 d的龄期才能进行检测［4］，以便采集到可靠的便于分析的检测数据。或结合实际的资料或经验确定合适的检测龄期。

6 声测管的选择与埋设

声测管的安装是保证现场检测工作的关键，也是决定数据可靠性的关键环节。目前常用的声测管有钢管、钢质波纹管和塑料管3种，对于超长、大直径灌注桩工程宜选用钢管，因为超长、大直径桩需灌注大量混凝土，水泥的水化热不易发散。鉴于塑料的热膨胀系数与混凝土相差悬殊，混凝土凝结后塑料管因温度下降而产生径向和纵向收缩，有可能使之与混凝土局部脱开造成空气或水的夹缝，在声束路径上又增加更多反射强烈的界面，容易造成误判［5］。声测管内径宜为50～60 mm，直径小于800 mm的桩宜埋设2根声测管，直径800～2 000 mm的桩宜埋设3根声测管，直径大于2 000 mm宜埋设4根声测管。

声测管固定在钢筋笼内侧，一般采用焊接或绑扎的方式，在混凝土灌注之前，随钢筋笼一起放入桩孔中，声测管底部应密封并一直埋到孔底。如果不是通长配筋，应确保声测管的平行度。安装完毕后，声测管的上端也应封口或用其他方式保护，以免落入异物，阻塞管道。声测管中的浑浊水将明显甚至严重加大声波衰减和延长传播时间，给声波检测带来误差，因此检测前应冲洗检测管并灌满清水做耦合剂。

7 声波透射法在大直径灌注桩完整性检测中的应用分析

福建省某工程一大直径灌注桩，桩径为2.2 m，桩长为53.4 m，桩端持力层为强风化花岗岩，桩身埋设4根声测管。通过对检测数据的分析发现，6个检测剖面中，4个剖面在设计桩顶以下9.4～10.4 m处，混凝土声速、波幅低于临界值异常，声速低于低限值异常。其余2个剖面的声学参数均无异常。按照桩身完整性判定的相关规定，判定该桩桩身完整性为Ⅲ类。

为准确判断该桩的桩身完整性，查明问题原因，经业主和设计同意，对该桩进行了钻芯法验证检测，选取了3个位置进行钻孔取样。钻芯检测结果显示，1号孔9.24～9.89 m处混凝土芯样松散，含泥且无法取样，长度约为0.55 m；2号孔9.69～10.29 m处混凝土芯样松散，含泥且无法取样，长度约为0.60 m；3号孔9.67～9.97 m处混凝土芯样多为砂浆体，表观较差，长度约为0.30 m。钻芯检测结果与声波透射法检测结果吻合。

针对该桩出现的问题，甲方单位非常重视，组织多方对施工工序流程进行剖析和讨论，积极配合检测单位对各种工艺施工的灌注桩进行试验数据比对，经过各方的共同努力，后续施工的大直径灌注桩桩身完整性基本为I类，确保了工程质量，取得了很好的经济效果。

声波透射法是大直径混凝土灌注桩完整性无损检测的一种主要方法，具有较高的准确度和分辨率，不受桩长、桩径尺寸限制等优点［6］，为灌注桩质量的检测分析提供了可靠的依据，但由于声波自身的原因，如果仅采用该方法非常准确的判断缺陷的性质是较为困难的，可结合钻芯法将其结果进行对比，从而得出更符合实际情况的分类［2］。

8 结语

声波透射法检测结果的判定需要综合考虑多方面因素，包括检测仪器自身的误差，声测管倾斜，检测人员的水平等。因此对桩身出现的严重缺陷，需要采用其他检测手段进行辅助检测，并对施工过程进行分析，找出导致桩身缺陷的原因，为检测结果的分析提供可靠的依据。

钻芯法检测是验证声波透射法检测结果的一种有效手段，不受场地的限制，特别适用于大直径混凝土灌注桩。实践经验表明，采用声波透射法进行桩身完整性评价，并结合钻芯法进行验证，对改进施工质量，确保工程质量，是十分有效的办法。

［1］黄太金.超声波透射法在灌注桩完整性检测中应用［J］.四川建材,2011,37（4）：81.HUANG T J.Application of Ultrasonic Transmission Method in Detection of Grouting Pile［J］.Sichuan Building Materials,2011,37（4）：81.

［2］JGJ106-2003,建筑基桩检测技术规范［S］.

［3］李洪东,张洪亮,王海军.超声检测法在桩基检测中的应用［J］.黑龙江水专学报,2010,37（2）：71.LI H D,ZHANG H L,WANG H J.Application of Ultrasonic Testing Method in Pile Foundation Detection［J］.Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering,2010,37（2）：71.

［4］谢锐杰.跨孔超声波透射法在桥梁灌注桩检测中的应用［J］.中国新技术新产品,2009（22）：60.XIE R J.Application of ultrasonic wave method in bridge pile foundation test［J］.China new technologies and products,2009（22）：60.

［5］陈凡，徐天平，陈久照，等.基桩质量检测技术［M］.北京：中国建筑工业出版社,2008.

［6］王磊.声波透射法在混凝土钻孔灌注桩检测中的应用［J］.治淮,2012（8）：51.WANG L.The Application of Sound Wave Transmission Method in the Detection of Concrete Filling Pile［J］.Harnessing the Huaihe River,2012（8）：51.