超声波透射法在桥梁桩基完整性检测中的应用

潘慧明

（广州市交正交通建设工程检测有限公司，广东 广州510000）

随着我国交通事业的发展，桥梁工程的建设也越来越多，而桥梁桩基的质量直接影响到桥梁工程的整体质量及安全，对桥梁桩基的完整性进行检测十分重要。在众多检测方法中，超声波透射法以其操作方便、简单快捷、无损伤、灵敏度高及成本低等优点被广泛应用。因此，研究超声波透射法检测桥梁桩基完整性的试验十分重要。

1 超声波透射法基本原理

1.1 基本原理

声波属于弹性波，若把混凝土的介质看成是弹性体，那么声波的传播规律就属于弹性波传播。声波经发射探头发射出去，需经过水的耦合才能传递到测管，之后声波经桩身混凝土介质到达接收一端的测管，要想使声波顺利到达接收探头，同样要经过水的耦合。若混凝土内部出现不连续界面或是界面出现破损，有缺陷的部分就会对声波造成阻碍。因此，声波透射能量会受到声波反射或是透射的影响而减少。如果内部存在多种孔洞，声波则会发生散射或绕射，而所求范围内的混凝土声学参数，则可以通过声波的初始时间和到达时间、声波的能量衰减、声波的频率或者是通过声波的波形畸变程度来计算。同时，需对所求范围内混凝土的不同剖面以及超声波在不同高度上的不同特征进行测试并记录。通过对测试记录的处理和相关分析，可以获得相应的混凝土强度，而关于缺陷的性质及空间位置等也可以求得。

1.2 质量和声参量

通过声参量与混凝土相关的物理力学指标可以用于基桩部分的超声波检测。其中声参量由超声波投射法参量决定。关于混凝土材料的相关结构、混凝土材料的密度以及混凝土材料的应力、混凝土材料的应变关系等都可以从声波的传播特性中反映出来。在混凝土中超声波的传播方式主要为纵波传播，其波速运算方法为

式中:E，ρ，μ分别为介质的动弹模、混凝土密度以及泊松比。

声波在传播时，会出现不同形式的衰减，致使声波强度降低，如吸收、散射、扩散等。下式为声波吸收的运算方法

式中:ρ，A，ω，CV，CP，υ，α，I0，η1分别为混凝土的密度、波幅、频率、定容比热容、定压比热容、波速、吸收系数、声波的初始强度和粘滞系数。

由式（1）、式（2）可知，桩身质量的好坏关系到声参量的大小。如果介质有缺陷，声波的声速、声幅等也会由于声波在传波过程中的变化而变化。所以，基桩是否完整，也可以通过声参量的大小来判断。

2 判断基桩是否完整

可以选择运用透射法进行操作，通过信号在传递与接收过程中波形的变化等进行基柱完整性鉴别。

对基桩进行现场检测时，需采用多种观测方法，表1为应设的声测管数量。

表1 应设声测管的数量

沿桩截面外侧布置声测管。其中声测管摆放须对称。如图1所示，箭头顺时针方向即为声测管布置时的编号方向。

图1 声测管布置效果

声波仪由计算机、声波发射换能器、采集仪等构成。图2即为声波仪的工作原理。

图2 声波仪工作原理

3 检测数据的处理

3.1 分析参量

相关运算公式为

式中:Vm为声速平均值，σv为声速的标准差，Cv为声速的变异系数，Am为波幅测量值的平均值。

1）声速的判断依据。判断混凝土有无缺陷须用临界值进行判断。通常为:正常声速平均值－声速标准差×2。公式为

2）超声波波幅的判断依据。波幅的平均值为6dB，当临界值高于实测值时，即表示测试区域为可疑缺陷区，公式为

3）PSD的判断依据。辅助异常判据应采用斜率法，PSD值变化明显时，该测点即为可疑缺陷区，公式为

式中:t为测点声时值，z为测点深度。

3.2 判定桩身是否完整的依据

判定桩身是否完整的标准如表2所示。

表2 桩身完整性判定标准

4 声学参数

4.1 关系分析

布置声测管时，在平时的工程操作中间距不等相对普遍。而就本工程而言，由于所用桩径不同，声测管的间距也相对更大。因此，要考虑到修正声测管的间距问题。声波在相同介质中的传播速度是一样的，但由于声测管的间距增大，导致声波的传播速度变小。在进行了与之相关的合作研究后，得出超声脉冲波主频率下降致使波速减缓的结论。根据实验制作波速修正表以方便不同的测试距离进行修正。同时以15cm的测试距离为标准，一旦测试距离超过15cm，所测得波速就应与表中的修正系数相乘（修正系数见表3）。

建造大桥工程所用的混凝土桩均采用C25制作，进行检测时需在天气晴朗的室外将土桩与清水耦合，用ZBL－U520A检测设备进行检测。之后，进行相关数据的统计与研究。

表3 波速修正系数

如果测试距离在430～1 380mm，就可以采用实际测量值。如果桩身混凝土龄期已经达到28d，在工作状态相同的情况下，需要在同一剖面上选择多个测点进行测试。研究不同管距对波速的影响时，应取离散性相对较小的数据平均值。计算不同管距的波速比值时，基准值应取实际测量中管距最小时的波速进行分析，以下为各种曲线的运算法则

平方抛物线曲线

幂函数曲线

指数函数曲线

回归系数即是待定系数，如a，b，c等。但目前多数采用幂函数、指数函数进行计算，以方便计算。

图3所示即为波速比值与对数曲线的形式，二者趋势相符。即混凝土强度相对较大只是相对于声速较小而言。因此，选用对数函数进行回归分析

式中:x为测试距离，mm；y为波速之间的比值。

若想求得波速之间的比值，只需求出实测波速与基准波速的比值即可。

混凝土中相对较大的阶梯试件，其强度和等级也各不相同，应用下面公式进行计算

将方程的计算结果与上述试验得出的结果进行对比分析。受试验条件限制，将本工程试验的基准波速选择为430cm，测试距离为430～1 380mm，虽然试验结果趋势与南京水利科学研究院的结果颇为相似，但仍存在较大差别。这种差别的出现是因为二者不仅测试对象不同，而且选择的基准波速也不相同。由于本试验在测试距离上存在诸多限制性因素，因此，如图4所示，两条曲线会在未来的某一点实现相交。

图3 修正系数分析

图4 波速修正系数对比

本文中的试验基本能够如实地反映出具体工程的情况，由于试验中的数据大多是实际工程中的测量结果。经比较，通过拟合公式得出不同测距的不同修正值更符合实际情况。通过对比实验结果不难发现，测试距离为430～1 380mm时，两组相差不大。所以用波速修正系数值对波速进行适当修正，以减小误差，使结果更为精确。

4.2 混凝土强度－波速关系

由于地区不同，所以制作混凝土的材料也存在较大差异，同时不同地区对于混凝土的养护方法也不尽相同，其含水率也存在明显差异。再加上混凝土的用途不同，其配比材料等也大不相同，所以难以找到适合所有地区的强度－波速曲线。

根据实际需要，本工程大桥的钻孔灌注桩为344根，包括96根直径为28～25m的主桥桩。桥桩总长度为7 274.5m，平均长度为75.8m。而引桥由248根钻孔桩组成，每根钻孔桩长约68.2～81.5m，总长度12 722m，平均长度51.5m。若想找到符合该工程中相应的混凝土强度－波速关系曲线，必须要经过实际操作，以确保数据的可靠性。所以，可考虑选择多组不同强度、不同等级的混凝土制成试块，通过28d的标准养护后再进行分组测试。分别采用幂函数和指数函数研究强度－波速关系，如图5、图6所示。

图5 幂函数回归分析曲线

图6 指数函数回归分析曲线

以幂函数形式对试验数据进行回归分析

在指数函数形式下的相关分析可得:Y取0.604 3e0.0009x。

进行两条曲线的拟合来计算混凝土的强度，误差不可避免。所以依照规范，相对标准误差应不大于12%。而在用幂函数进行回归分析时，标准误差应取8.021%，在用指数函数进行回归分析时，标准误差应取8.785%，

5 实例分析

5.1 相关资料

广州广从高速公路工程，由从化街口至花都北兴高速公路，该路段与广州国际机场高速公路的北延线相接，并在北兴与京珠高速公路和北三环建立互通立交工程。一期工程主桥44#的海积层成分主要为砂淤泥、细砂、粘土等，陆地以下50～52m处一般为海积层底标高。而基岩风化层厚度在9～17m。由于岩面的起伏相对较大，所以基岩面标高也相对较低，主要在地下59～70m，基岩面的性质为凝灰熔岩，风化岩核占较小比例。而45#桥墩处的海积层主要为砂淤泥、细砂、淤泥质粘土，在主陆地以下42～49m处一般为海积层底标高。而基岩风化层厚度在25m左右，相对较厚。基岩面标高一般在地下67～71m左右，基岩面的性质与44#的相同，部分含有接近10m的风化岩核。49#墩上部主要为含砂淤泥、淤泥质粘土、含淤泥砂成分为主的海积层，陆地以下59～60m处一般为海积层底标高，其基岩风化层厚度在10m左右，基岩面标高一般在地下59～60m左右，基岩面的性质与上述两者相同。

5.2 实例分析

5.2.1 完整桩

工地45号墩中的13号桩以C20浇筑而成，桩径为2.5m，桩的有效长度为69.8m。4根检测管以四边形的形状进行布置。运用非金属超声检测仪ZBL－U520逐一从桩底至桩顶进行检测。其中测试方法需运用一发双收平测，每个测点间距离应保持在25cm。分别绘制声时－深度曲线与声幅－深度曲线。经观察可知，无论是声时曲线、声幅曲线还是声速曲线的波动都非常小，而且声幅相对均匀。而声速平均值为4 378m／s，由此判定该柱身的完整性为Ⅰ类。

5.2.2 夹层桩

49号墩19号桩的桩径是2.6m，桩长是75m。经检测3个剖面的声参量在距离柱顶57～57.5m处存在异常。而剩余的1个剖面则是在两个侧面57.25～57.5m处声时变大，声速减小，声幅也出现较大幅度的衰减。通过对声时－深度曲线与声幅－深度曲线的研究表明，当两个侧面57.25～57.5m处声时达到304m／s时，可超出临界值69.8%。同时，声速和波幅都相对偏低。经检测，桩内尚有泥砂、泥团等物质，完整性较45号墩要差。

5.2.3 低强度桩

对11号桩进行检测，11号桩属于45号墩，其桩径经测量为2.7m，桩长为74m。经检测，该桩检测的几个剖面中声参量均在距离柱顶72.5～74 m处存在异常，并且此范围内的声时也出现陡增的情况。声时最大可达838m／s，超出临界值的79.9%。而声速值却格外偏低，比临界值低60.3%，仅为1 729m／s。与此同时，PSD值也相对增加，波形存在畸变现象。经检测，其他剖面相对正常。

5.2.4 断桩

44号墩6号桩，桩径为2.6m，桩长为72.2m。而6号桩桩身预埋了4根挖孔桩。根据超声波声时－深度曲线和声幅－深度曲线可知，其4个剖面的声参量在距离桩顶6.50～6.75m处存在异常，且声速尤为偏低，仅为150m／s，而声速的平均值也只有3 382m／s，比混凝土的声速范围还低。4个剖面的波幅又在此处下降明显，甚至个别点的声波信号无法正常接收，并且波形产生严重畸变。因此，可证实在6.5～6.75m处存在缺陷，该桩为断桩，且完整性为Ⅳ类。

6 结束语

综上所述，桥梁桩基的施工难度相对较大，且工艺比较复杂，因此很容易在施工过程中出现多种问题，使桥梁的整体质量以及桥梁的安全性得不到保障。测试结果表明超声波透射法在判断桩基的缺陷深度、缺陷大小以及缺陷的严重程度等方面具有有较高的灵敏度，同时抗干扰能力也很强，而且使用起来比较方便，检测的结果十分精确也相当可靠，因此值得在桥梁桩基检测中广泛推广。

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