温差对桩基检测结果产生的影响分析

方新雷，郑 光，宋广峰

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

超声波在应用于灌注桩的完整性检测时受诸多因素的影响，如温度、气压、测管的大小、测管形状以及测试时测管中注入的液体类型等等。这些因素影响检测人员对检测结果的准确判断。在诸多因素中，温度的影响非常普遍，因为所检测的桩基一般设计桩长都有几十米甚至上百米，桩底部处于地下几十米处，而在地下30m左右的地层处就是地下温度的恒温层，即温度常年不变，接近当地的年平均温度。30m以下的温度呈现梯度上升［1］。桩顶处于地面，其温度随着当地的气候温度发生季节性的变化，低温可到－10℃以下，高温可到40℃以上，在应用超声波进行桩基的完整性检测时，桩的底部和顶部存在着巨大的温差，而正是这一巨大的温差影响了检测结果的准确性。本文以武汉天河机场高速路第二通道工程为背景，将所测得的数据进行温度修正后再与原始测得的数据进行对比分析。

1 温度对超声波在混凝土中转播的速度的影响

1.1 混凝土的物理力学性质

混凝土的物理力学性质与其内部结构特性与外部环境条件等多种因素有关，声波传播特性反映了混凝土的应力应变关系［2］，根据弹塑性介质中波动理论，声波在混凝土介质中传播波速

式中:E为介质的动态弹性模量，ρ为密度，σ为泊松比。不同温度下，材料中的弹性模量E发生变化，一般来说，弹性模量随着温度的升高而减少。随着温度的升高，一般固体介质中超声波的传播速度降低。

1.2 实验测定超声波在混凝土中传播速度与温度的关系

实验前准备好C30混凝土试块若干组，在标准条件下养护28d。在试块上装上超声波发射与接收的探头，将其放在可调节温度的恒温箱中，探头与外部示波器相连。温度从－20℃上升到120℃，温度每提升10℃采集一次信号，根据采集到的时差信号数据计算出超声波在不同温度下的传播速度［3］，绘制出温度－超声波波速的实验曲线（图1）。

图1 温度－声速的实验曲线

式中:v为波速，t为温度。为了使式（1）更具一般性，可将其表达为

式中:v0为初始速度（与混凝土龄期、水灰比、标号、以及品种等有关）。

2 地上地下温差的修正

由于桩顶一般处于地面或者处于地面以下1～2m处，故桩顶的温度近似为地面的温度t表，而30 m左右的恒温层温度近似等于当地的年平均温度t恒。从地表到地下30m处的恒温层温度呈现线性变化；深度和温度的关系近似如

式中:t恒为30m处的恒温层温度，t表为地表的实时温度，h为对应深度。

在恒温层以下，地下温度随深度增加而升高，其升高的速度常用地温梯度来表示。大约埋深每增加33m，地下温度升高1℃。故深度和温度的关系近似如

式中:t恒为30m处的恒温层温度，现在不妨将沿桩身方向所测得的波速修正到恒温层处（也即t恒时候）的波速，修正以后，整根桩测得的波速就是处于同一温度时的波速，这样更加具有可比性和可判断性。地面至30m恒温层深度的修正速度可表示如

将式（2）代入式（4）中可得

30m恒温层以下深度的修正速度可表示如

通常雨水箱涵安装墙模板的工作需要在符合标准的混凝土强度和完成的底板混凝土浇筑条件下进行：①在模板上将适量脱模剂涂刷其上，校正检验底板侧模使其与标准符合后作为定位模板，这样可以保证安装墙模板的顺利进行；②安装顶模板过程中，需要将混合木条、模板及钢支撑相互结合，单独用木支撑的方式不可取。接下来使用钢支撑立杆，为了使支撑更加稳固施工人员连接好钢管并在安装顶模板后何时检查安装过程，确保安装质量并为接下来的工序开展打下基础。

将式（3）代入式（5）中可得

式中:v测为实测声速，v修1和v修2修正为同一温度t恒后的速度。

3 工程实例分析

下面以武汉天河机场快速路第二通道—南引桥工程中的第NYQ4-2号灌注桩的检测为实例，进行数据修正前后对比。武汉市地处华中地区，夏季炎热，冬季寒冷。在夏季高温时，室外温度可达40℃甚至以上，冬季低温时室外温度低至－5℃，而年平均温度为17℃，也即地下30m处的恒温层温度为17℃。由此可看出地面到地下30m处的温度差非常之大。

NYQ4-2号灌注桩设计桩长65m，混凝土为C30普通硅酸盐水泥，桩径为1.6m的摩擦桩。施工浇筑日期为2013年1月10日，检测日期为2013年2月2日上午。其中1－2剖面的测管距离为890mm，现在对其1－2剖面所测得的数据进行分析，绘制成桩深－波速离散图（图2）。

图2 桩深－波速离散图

对所测得的桩深－声速数据用本文中的修正理论进行修正，取检测时候的地面温度为1℃，30m深度处恒温层的温度为17℃。经修正后得到数据绘制成桩深－波速离散图（图3）。

图3 桩深－波速离散

由图2和图3可以得出，经过修正后声速更加稳定，并且数据的波动较小，由此可见修正后的数据更加具有可比性，有效地提高了桩身的完整性判断的准确性。

通过以上分析可知:以第NYQ4-2号桩的检测为例，取地下30m处恒温层的温度为17℃，地表最高温度取40℃，最低温度取－3℃，30m下按温度梯度每30m温度升高1℃计算，修正前的检测波速取4 400km/s。

说明在30m以下的温度变化并不是很明显，由于温度影响平均每30m产生的绝对误差

相对误差在地面至地下30m处的温度变化随着季节的变化非常之大。在地面至地下30m处由于温度影响产生的绝对误差

相对误差

经过修正后一根60m的灌注桩可以累计消除因温度而产生的误差达到0.37%，可提高检测人员对灌注桩完整性判断的准确性，对照其他用超声检测桩身完整性的实例，有相近的效果。

4 结论

通过实例分析可以得出以下结论:

1）检测桩基完整性时，可以采用对地上地下温差产生的影响公式进行修正。

2）通过温差修正，可以提高对桩检完整性判断，解决较大温差对桩身完整性的不良影响。

［1］ 刘晓燕，赵 军，石 成，等.土壤恒温层温度及深度研究［J］.北京:太阳能学报，2007，28（05）:494-497

［2］ 季家林，李慧剑，闫国亮.温度对超声波在混凝土中传播速度的影响［J］.上海:建筑材料学报，2008，11（03）:349-353

［3］ 孙 钟，李全育，刁海波，邢树宏，杨双羊.温度对超声波检测缺陷定位定量的影响［J］.上海:无损检测，2011，33（04）:26-32

［4］ JTG-TF81-01-2004，公路工程基桩动测技术规程［S］.北京:浙江省交通厅工程质量监督站.