桩身检测的声波透射法及对缺陷位置与体积的定性确定

连云飞

【摘 要】高层建筑及桥梁等构筑物的主要基础形式多采用混凝土灌注桩，由于单桩承载力大，施工方便，施工进度快等一系列优点，成为建筑工程的首选基础形式。由于灌注桩在灌注混凝土时均在水下进行，造成了对灌注质量监控的困难，往往会构成一些质量缺陷。常见的桩基缺陷主要有缩颈、夹泥、断桩、集中气孔、桩顶低强、孔洞、严重离析、桩底沉渣等，影响整个工程结构的稳定。

【关键词】桩身检测；声波透射法；缺陷位置；缺陷体积；定性确定；无损检测；隐蔽工程

0 引言

声波透射法是通过将超声探头放入预埋在桩身内部的纵向声测管道，超声波透过耦合介质在混凝土内部传递，对桩身进行逐段探测的方法。因此，声波透射法对桩身混凝土缺陷的判断，比其它低应变动力法更为直观可靠，尤其是当桩身内部存在多重缺陷的情况，避免了低应变法对下层缺陷的漏判。因此，在工程实践中，人们越来越认识到超声波检测的优越性，并获得了广泛的应用。

一般认为，灌注桩的质量通常包含两方面的内容：其一是桩的承载力；其二是桩内混凝土的密实度、连续性、均匀性及其强度，即所灌注的混凝土内部是否存在缺陷和达到所要求的强度等级。实践证明，灌注桩（尤其是大直径灌注桩）的质量主要是由后者控制的，这是由于灌注桩施工时很易形成缺陷，而缺陷桩的早期承载力未必达不到设计要求；据某地对200多根桩进行控制性压桩试验结果进行统计发现，其中有10%-15%的缺陷桩，而承载力不能满足要求的仅占5%-10%，那些承载力已达到要求的缺陷桩，在长期应力及地下环境的侵蚀下，仍有可能失去承载能力；灌注桩应以桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性及强度作为质量主要指标。

1 声波透射法检测桩身缺陷的原理

超声波在混凝土的传播过程中携带着有关混凝土材料性质、内部结构与组成的信息，当超声波在传播路径上遇到缺陷时，会在局部范围内绕射、散射和反射，因而可以通过超声波能量的衰减、波速的变化和波形的畸变，就可以推断混凝土的性能、内部结构与组成情况。超声波对混凝土缺陷的检测采用以下4点作为判别缺陷的基本依据：

（1）根据低频超声波在混凝土中遇到缺陷时的绕射、反射、散射现象，按照声时及声程的变化，判别并计算缺陷的大小；

（2）根据超声波在缺陷界面上产生散射及被吸收，接收探头接收到的能量显著衰减，据此判断缺陷的存在及大小；

（3）根据超声脉冲不同频率成分在遇到不同缺陷时衰减的程度不同，接收频率存在各异性，或依据接收波频谱与反射波频谱之间的差异，判别桩基混凝土内部缺陷；

（4）根据超声波在缺陷处的波形连续性遭到破坏，造成接收波不同频率和相位的叠加使得波形畸变的现象判別缺陷。

2 声波透射法对桩身缺陷位置与体积的定性确定

2.1 桩身缺陷的竖向范围

当采用常规的超声波水平同步法对桩基进行检测时，根据前述4点判据对桩基质量产生疑问，怀疑其存在缺陷时，需要对重点部位加密测量和斜测，藉此确定缺陷的范围。

对可疑测区，首先进行加密检测，由常规测量点距25cm缩至5cm-10cm，核实可疑测区的异常情况，并确定藉此异常部位的纵向范围；然后通过斜测法对异常区域做进一步的探测。所谓斜测法就是将发射、接受换能器错开一定的高程差，错开距离一般在1m-2m之间，在声测管内以相同的提升速度同步提升进行测试，斜测又可以分为单项斜测与交叉斜测，如图1所示。

图1 示意图

在桩顶或者桩底斜测范围受限制时，为了减少换能器的升降次数，扇形检测可以作为一种辅助手段。扇形检测就是将一只换能器固定在某高程不动，另一只换能器依次逐点移动，将测线按扇形分布，扇形扫测时可以选择各种不同的发射点。由于在扇形扫描中各测点测距不等，虽然波速可以通过计算得到，但振幅测值的可比性较差，所以并不常用。

通过多次多个方向的透射，逐次获得这个阴影区的一部分边界位置，利用重叠的方法获得整个阴影区的边界，查明缺陷的空间位置和几何形状；利用作图的方法可以确定局限性缺陷在桩身横截面中的边界，把多个检测剖面中同一个横截面的缺陷边界投影到该横截面上去。

需要只指出的是：由于混凝土是一种弹粘塑性体，结构多相性，超声脉冲波在混凝土内部传播过程中，混凝土内部存在大量的低频波的绕射和漫反射，在确定阴影边界的时候有必要对混凝土缺陷界面的声波进行综合分析，才能准确定位，即便如此，采用阴影重叠法或得的缺陷边界也是很模糊的。

2.2 桩身缺陷的平面范围

利用缺陷位置与有限介质内接收声场的关系（图2）：

图2 缺陷在声场的不同位置

2.2.1 缺陷在A处时，处在发射接收声场内，且通过发射、接收的连线，此时，声波需要绕过缺陷区域才能达到接收换能器，声程加长，导致声时变大，波速下降，由于缺陷对声能的吸收，波幅会下降。

2.2.2 缺陷在B处时，处在发射接收声场内，但没有通过发射、接收的连线，此时声时为正常穿越时的声时值，无任何变化，由于缺陷对声能的部分遮挡与吸收，导致波幅下降。

2.2.3 缺陷在C处时，处在发射接收声场外，声波在发射——接收范围能正常传播，能量无损失，声时、波幅、波速都无任何变化，即发现不了缺陷C。

当埋设三根以上声测管时，根据有效声场的概念，（下转第98页）（上接第117页）可以声时、波幅来推断水平面上的缺陷分布范围。

（a） （b） （c） （d）

图3 缺陷范围图

（1）对桩基3个测面进行超声波检测后，如果AB检测面波幅、声时出现异常；BC检测面的波幅异常，声时正常；AC检测面无异常状态，那么我们可断定缺陷分布范围如图3（a）图所示。

（2）对桩基3个测面进行超声波检测后，如果仅AB测面声学参数出现异常，AC、BC面均正常，我们可以断定缺陷分布范围如图2.3（b）图所示。

（3）如图3（c）所示，C声测管周围被泥团包裹，经声波透射法后，AC、BC检测面均会出现异常波幅、波速。这种情况极易造成对桩基质量的误判，因此不宜盲目的定下结论，需对桩基进行加密检测和斜测，综合各种判据后做最后结论。

（4）如图3（d）所示，当缺陷处于桩基的中心位置时，正好是3个声测管接收声场范围以外，数据检测的盲区，也是容易出现误判的情况，因此，当对3根声测管的桩基声波透射法有疑问，需要钻孔取芯验证的时候，不可在桩基中心钻孔。

3 结束语

总之，基桩的准确检测对于各类建筑物基础乃至上部结构的设计起着举足轻重的作用。如果能准确的判断出缺陷的类型、测出缺陷的位置及程度，能够较准确的指导后面的缺陷处理工作，从而很好的解决问题。缺陷的定量分析在桩基检测的评定中也占据很重要的地位，只有准确的知道桩的缺损程度，才能确定其对桩基承载能力的影响程度，以便对桩作出整体评价，采取合理的补救措施。

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[责任编辑：曹明明]