基桩声测管的管材选用述评

杨仲元

（浙江交通职业技术学院，杭州 311112）

0 引 言

随着我国的交通基础建设和城镇基础设施建设的快速发展，每年需要大量钢材，国内的钢铁矿产资源不断地被过量开采。钢铁业早在21世纪初期已经从国内出口走向国外进口，大幅度的钢材量进口影响着国内社会经济的快速发展。

2004－2013年近十年中国粗钢产量变化如图1所示，据中国钢铁工业协会的数据统计，2013年我国钢材总产量为7.79亿吨，占全球总量的约48.5%。随着国际铁矿石原料价格不断升高，钢制产品价格会越来越高。

图1 中国粗钢总产量变化

炼钢行业作为高耗能高污染行业，存在很大的“转型”压力。在全国各行业推广减少对钢材的依赖，是我国 “十二五”期间建设资源节约型、环境友好型社会的重要举措之一。其次，新型塑料管材因其价格相对低廉，在交通、市政等行业正在逐步替代一些高耗能的金属管材，以塑代钢是我国管材市场发展的主要趋势之一。

1 普通钢管

国内外实际工程中声测管普遍采用普通钢管（黑铁管），即直缝焊接钢管和无缝钢管，公称直径一般在DN50左右，壁厚在3mm以上，普通钢管由于刚度好，在使用中甚至可以替代部分钢筋截面，其缺点是壁厚大超声波透过率低，且相对其它管材成本要高。普通钢管作为声测管的接口通常有螺纹连接和焊接两种类型。其中建筑、市政等行业较小管径的钢管普遍螺纹连接，一些规程[1]相关条文里对普通钢管建议均采用螺纹连接。焊接又可分为两种形式：套管焊接和对接焊接，其中对接焊接抗弯折能力差，在安装检测管时为避免产生漏浆或者因直接对焊导致焊渣进入管内堵塞通道，所以对接焊接不应采用[2]。由于套管焊接比螺纹连接工作效率高，更适于工地现场作业，成为目前普通钢管最主要的连接方式。

1.1 钢质波纹管

钢质波纹管外壁为薄壁波纹钢板，具有管壁薄（壁厚l mm左右）、钢材省和抗渗、耐压、强度高、柔性好等特点，相比普通钢管可以节省成本，但该管材不便采用螺栓连接和焊接方式，常采用橡胶套连接，即用6～10cm长橡胶套套接两声测管接口。但由于橡胶套材质软，无法保证声测管管箍的强度与刚度，声测管在安装、施工过程中易出现错位甚至脱开，而且橡胶套的热膨胀系数与混凝土的相差悬殊，在混凝土灌注过程中水泥的水化热不易发散，而橡胶温度变形系数较大，混凝土凝结后橡胶套因温度下降而产生收缩变形，有可能使之与混凝土局部脱开而造成空气或水的夹缝，影响检测信号，容易造成误判。文献 [3]报道了某桥墩桩在波纹管连接处由于橡胶套收缩变形导致的波形严重畸变，波速严重降低而造成误判的工程实例。

1.2 钢薄壁焊管

自从杭州湾跨海大桥施工起，各地在使用声测管时，陆续开始用带管箍的直径50mm左右、壁厚1.0～1.8mm的薄壁焊管来代替普通钢管，其优点是显著节省成本且超声波透过性好[4]。薄壁焊管强度低，国内一些企业对其连接方式做了很多探索和改进。目前广泛应用的是钳压式，其特点是承口端部为U型槽，内设有特制的O形橡胶密封圈，安装时将声测管的插口端插入承口端，用专用的液压钳对U型槽及其一侧部位同时进行挤压。橡胶密封圈受挤压后起密封作用，钳压部位插口端和承插口端的管材同时收缩变形 （剖面形成六角形状）起定位固定作用，从而有效地实现了声测管的连接。该方法操作简单，可任意长度现场锯切使用，具有很强的密封、抗扭矩、抗拉拔性能，已在交通运输部的行业标准 《混凝土灌注桩用钢薄壁声测管及使用要求》（GB／T 705－2007）中推荐使用。

2 塑料声测管的性能

从超声波检测角度来说，声测管所用材料透射系数越高越好。超声波从发射换能器到接收换能器，需穿过4个界面：水至声测管界面，声测管至桩身混凝土界面，桩身混凝土至声测管界面，声测管至水界面，上述4个界面的透射系数之积为总透射系数，应伯宣等[5]根据计算，跨孔测量中采用钢管时的声波总透射系数只有0.071，而采用UPVC塑料管则为0.645，其数值十分接近桩身混凝土的最大透射系数0.646，可见采用UPVC塑料管比采用钢管接受信号强。从使用成本看，一般单位长度塑料管的价格也比钢管低，大规模使用可以节省成本。

硬聚氯乙烯 （UPVC）塑料管广泛用于市政、建筑的流体输送管道，目前应用于声测管的多是价格相对低廉的UPVC排水管道，管接口之间采用管箍 （一些文献也称为套管）进行胶水粘接，对UPVC声测管美国材料试验协会标准建议采用胶水粘接和螺纹连接。W.Y.Chan等[6]通过一系列试验比较了UPVC声测管和钢管的声波穿透能力，发现在相同条件下，管径从40mm至160mm范围内，通过UPVC管接受的信号强度是钢管接受的信号强度的3到4倍；而且由于圆形管道断面可以聚焦超声波，接收端所在声测管管径增大导致接受的信号强度也增大。用DN75的UPVC管和钢管分别作为声测管，在相同情况下比较试验检测结果[5]，发现检测出的声波在混凝土中的平均传播速度相差很小，平均波幅方面则是PVC管比钢管高4.5db，可见在声波能量传播方面PVC管比钢管有利，但还没有保证UPVC声测管的环刚度和强度，不适合推广使用。UPVC芯层发泡管材[4]作为某实际工程50m深桩的声测管，管径DN50，壁厚3 mm。结果表明，UPVC管与传统的钢管相比更有利于声波传送，检测数据更接近于混凝土材料。经实际施工测试，大部分达到要求，管道贯通率达到90E，而施工成本则可节约53%。

UPVC管的缺点是其环刚度低，在采用排水用UPVC管道做声测管时通常壁厚加大一号，将原DN50管道的壁厚改为DN75管道的壁厚，即壁厚在3mm以上。某工程用原来壁厚为1mm的UPVC管作声测管，强度不够，致使在灌注桩身混凝土时挤压声测管，使声测管变形甚至破裂，水泥砂浆流入声测管内导致堵塞，后来壁厚改为3 mm才解决问题[7]。另外UPVC管外壁光滑，与混凝土粘结性差，美国材料试验协会标准规定UPVC声测管使用前外壁应打磨粗糙。再者塑料材料的温度变形系数 （热膨胀系数）大，当混凝土硬化后塑料管因水化热散去而温度下降产生收缩导致混凝土与塑料管局部脱开，从而造成误判。J.C.Adams等[8]对某工程实例中声测管与混凝土的脱开时，超声波检测出现的异常信号进行了评价，并提出了鉴定方法。而且，UPVC管耐热性能差，在60℃以上环境抗拉强度下降，这对于大体积混凝土的灌注桩而言，其内部散热性差，尽管声测管内注有清水可以缓冲温度上升，但能否保证所需的强度尚无人研究。

3 新型复合材料塑料管的创新设想

国内外对声波透射法的研究多集中在信号和数据的处理与分析、检测仪器、软件开发、检测手段等方面，而针对非金属管材、管道外壁设计、管道接口形式等方面的研究很少。在声测管选用上，工程人员普遍对塑料管由于热膨胀系数大、外壁光滑，导致混凝土与塑料管局部脱开顾虑较多而不愿使用。对于声测管的材料研究，由于国内外大多数研究集中于钢质声测管的强度、连接和密封性，虽然在检测技术和使用得到了普遍的推广，但是钢材的大量耗用和昂贵的检测成本问题仍未得到缓解与解决。虽然国内专利也有相关的塑料声测管的开发，但是材料与结构尚未得到进一步的研究。特别是能否考虑再生、经济和环保的塑料材料，亟待在管体结构上加以创新与探索。

近年来塑料行业的迅猛发展，一些价廉优质的塑料管材在交通、建筑等行业开始替代一些金属管材。当塑料加入玻璃纤维后，热膨胀系数和蠕变成倍下降，目前市政用增强聚丙烯管材 （FRPP）就采用在聚丙烯材料中掺入一定比例的短切玻璃纤维，不仅热膨胀系数降低，而且强度和低温抗冲击性能大大增强。如果基桩塑料管的外壁面采用增强缠绕带、环形肋加强等异型结构，不仅减少材料用量和造价，而且管道环刚度增加，波纹状管外壁还能增加与混凝土的附着能力，可以减少塑料管与混凝土的脱开。这些技术都有利于塑料声测管材的开发。

大多数基桩完整性检测采用钢管，全国每年用于基桩完整性检测的钢管数量约为72万吨，占钢材总产量的0.1%。如果取代基桩完整性检测的钢管，将大幅度减少全国的钢管使用量，30年将节约近2100万吨钢材。因此，随着各种新型塑料产品、复合材料产品不断问世，有必要研究价格低、性能高、接口操作方便、环境效益良好的产品来替代钢质声测管。

4 结 语

各种塑料管材的温度膨胀系数相对于钢材和混凝土都比较大。在与混凝土浇灌过程中由于水化热反应引起声测管的热胀冷缩，从而在浇筑冷却后导致声测管与混凝土之间存在间隙，影响声波检测的可靠性。因此，降低塑料管材的膨胀系数是其作为声测管应用的关键技术。

复合管材作为管道的一个重要分支，也是塑料管道未来的发展方向。例如，在现有的塑料基材中，掺入具有高强度和极低膨胀系数的增强纤维如玻璃纤维、纳米碳纤维等，通过设计制作工艺、材料配合比，制成高强度复合管材，并使管材的温度膨胀系数与钢管接近。通过膨胀系数、强度等技术指标的改进，可真正实现塑料声测管的推广应用。

[1]JTG／T F81－01－2004，公路工程基桩动测技术规程[S].

[2]ASTM D6760－08，Standard Test Method for Integrity Testing of Concrete Deep Foundations by Ultrasonic Crosshole Testing[S].

[3]赵守全.基桩声波透射法检测中声测管埋设问题的探讨[J].甘肃科技，2008，24（11）：77－80.

[4]宋丽妹，沈桂平.PVC管在钻孔桩检测中的应用[J].中国市政工程，2007，（A01）：75－77.

[5]应伯宣，陈军.浅谈基桩检测声测管的选择[J].上海地质，2007，（2）：49－51.

[6]F.W.Y.Chan，S.W.F.Tsang.Effects of different sonic access tube materials on the signal strength of ultrasonic waves in the cross－hole sonic logging technique[J].Transactions Hong Kong Institution of Engineers，2005，12 （2）：1－7.

[7]卢贤存，林朝阳，郭茶发.京津城际铁路基桩声波检测技术的应用[J].国防交通工程与技术，2008，（5）：67－69.

[8]J.C.Adams，E.L.Hajduk，P.Halvarsson，et al.A case history evaluation of CSL access tube debonding[J].ASCE Geotechnical Special Publication，2009，（185）：552－559.