桩身砼完整性声波透射法检测应用研究

蒋彦华

(永州市交通建设质量安全监督管理处， 湖南 永州　425001)



桩身砼完整性声波透射法检测应用研究

蒋彦华

(永州市交通建设质量安全监督管理处， 湖南 永州425001)

摘要：桩基主要承受来自桥梁上部结构的重量，其质量的好坏决定桥梁的正常运营和耐久性。对声波透射法的检测原理、桩身质量的判据进行了讨论，然后对具体工程实例用声波透射法和钻芯法相结合进行分析，验证了声波透射法检测桩身完整性的准确性，从而快速准确评价灌注桩桩基质量。

关键词：桩基； 声波透射法； 灌注桩

混凝土灌注桩施工技术成熟、耐久性好，是现代桥梁应用较多的一种基础形式。桩基础是一项隐蔽工程，不能直接看出其施工质量的好坏，因此，需要借助检测仪器进行质量评价。声波透射法检测技术是当今较为成熟可靠的无损检测手段。混凝土的声学检测开始于上个世纪四十年代，随着近年来计算机技术飞速发展，无损检测设备也得到较快发展，其应用领域也越来越多。声波透射法检测桩身完整性不受桩长、环境等限制，且能够对桩身各个深度截面进行数据采集，并用波形直观来反映其质量状况，是一种被广泛应用的无损检测技术。

1声波透射法检测原理及方法

声波透射法是一种发射声波穿透固体介质并能在显示器上反映该固体物质均匀性的质量信号的检测方法，在检测过程中不会对固体结构物产生任何损伤。其基本原理是: 在检测过程中，其超声发射源会发射出连续均匀的脉冲粒子，该脉冲粒子通过混凝土所形成的质量信息会记录在该仪器的系统中，并通过波形来表现其特征。当检测的混凝土中存在夹泥、离析、不密实等缺陷时，发射波在传播到此处时能量会降低，导致该反射波反射回来的时间增长，出现的波形不均匀，甚至会出现畸形。从声波初次达到的时间及波速等参数信息、波形变化规律，可以推算该处混凝土的质量情况。并且通过多角度分析可以得出该缺陷的可能原因、缺陷大小及位置，进而评价该混凝土的质量。

在桩基浇筑混凝土前，需要将质量合格的声测管绑扎在钢筋笼上，并根据相应规范确定其声测管预埋根数。在绑扎时务必确保声测管的垂直度，且接口位置牢固、不漏水。在检测前，各个声测管中需注满清水，作为耦合剂，脉冲发射源发射的脉冲信号由发射换能器发射到接收换能器，并把相应的波形及参数信息记录在仪器中。一般从桩底向桩顶匀速检测，将各个剖面质量信息进行自动记录。桩身完整性类别划分如表1所示。

表1 桩身完整性类别划分表类别类别特征桩身完整性类别判定原则Ⅰ桩身完整,可正常使用各声测剖面每个测点的声速、波幅均大于临界值,波形正常Ⅱ桩身基本完整,有轻度缺陷,不影响正常使用某一声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值,但波形基本正常Ⅲ桩身有明显缺陷,对桩身结构承载力有影响某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅小于临界值,PSD值变大,波形畸变Ⅳ桩身存在严重缺陷,对桩身结构承载力有严重影响某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅明显小于临界值,PSD值突变,波形严重畸变

检测仪器设备采用武汉中科智创RSM — SY6数字非金属超声检测仪，包括双孔换能器、孔口深度滑轮等，检测时数据自动连续采集。仪器设备及现场联接如图1。

图1　超声波测试系统示意图

2桩身混凝土质量判定依据

2.1波速法

波速是超声发射源发射的信号在混凝土中通过的时间。因为混凝土是一个较为均匀的固体，波速在其中的传播速度基本稳定，变化幅度较小，能较好地反映桩身完整性，可作为桩身混凝土的一个判定依据。在检测系统里，超声波的声速是从数理统计角度来求得，即相应等级混凝土的正常声速与2倍声速标准差的差值。如下：

(1)

(2)

(3)

在测试时，当某测试点的波速小于平均波速时，可认为该点是声测异常点。有时受到混凝土本身及环境的影响，某些剖面点的声速会出现普遍偏低的情形，且变异性较小，此时，应该用低限值来判别声速是否正常。可用下式表示：

vi≤vL

(4)

其中：vi为第i个测点声测值，km/s；vL为声速低限值，km/s。

当某声测点满足上述表达式时，则可认为该点声速异常。

2.2斜率法(PSD判据)

PSD法是由声时决定的在某个剖面的深度方向的斜率变化，当混凝土出现缺陷时，在此处所反映的声时会出现较大变化，从而其斜率会出现突变，变化率的大小反映缺陷的程度。因此，用PSD法是对声速法的进一步分析验证，具有较大的可信度，一般用如下公式表达：

(5)

其中：ti为第i个测点声时值，μs；ti-1为第i-1个测点声时值，μs；zi为第i个测点深度，m；zi-1为第i-1个测点深度，m。

2.3波幅判据法

在声波透射法检测中波幅是一个特别敏感的参数值，当某处混凝土出现一个很小的缺陷，如气泡、孔隙时，会对声波粒子的能量吸收，使声波能量减弱，表现出来的波幅会大大降低，同时，仪器采集时的发射电压及频率等外界条件也会对波幅带来影响。总体说来，波幅对缺陷更加灵敏，在目前规范中采用以下公式确定其临界值：

(6)

AL=Am-6

(7)

当Ai

2.4实测波形判断法

在测试分析时，波速波幅的判断是利用首波来对混凝土缺陷进行判别，而对于后续其它波的大小及波形未作考虑。实测波形是对整个波形的均匀程度、波幅大小来判断。如果混凝土是均匀的，则整个波形均匀性较好，能量减少量较小；后续波形的减弱，甚至是出现畸形的现象，那么在此位置很可能是有缺陷的，在分析时需对这些点的各个声测参数详细研究，保证准确判断桩身的缺陷。

3工程实例分析与应用

3.1工程概况

某桥钻孔灌注桩桩号为5a-0#，设计桩长为15.00 m，桩径1.20 m，声测管埋置数量为3根，桩身混凝土标号C30，检测时混凝土龄期为30 d，现采用声波透射法对其进行检测。

3.2检测仪器及结果

本测试采用武汉中研科技有限公司RSM — SY6基桩声波检测仪，它主要由主机、自动计数器和换能器组成。采样间隔为0.1～200 μs连续可调，放大器增益100 dB，发射脉宽0.1 ～100 μs连续可调，声时准确度≤0.5%，声幅准确度≤3%，接收灵敏度≤30 μV。并且具有全自动计数器和自动判读功能，大大提高测试准确度。测试结果如图2、表2所示。

为了进一步验证超声波检测法结果的可靠性，对此桩基采用了钻芯法进行取样研究，并得到了如图3所示的芯样。

3.3结果分析

由图2可看出，在14.50～15.00 m的深度内1 — 2、1 — 3剖面波速、波幅都小于临界值，且PSD判据

图2　测试波形图

表2 桩基5a—0各声学参数值深度/m1—2剖面1-3剖面2-3剖面声速/(km·s-1)波幅/dBPSD声速/(km·s-1)波幅/dBPSD声速/(km·s-1)波幅/dBPSD0.004.22497.00.004.207103.20.004.38696.40.000.254.146100.936.004.233103.34.004.33598.416.000.504.198102.116.004.20797.14.004.28696.916.000.754.25098.416.004.25999.616.004.213102.636.001.004.304104.716.004.313103.716.004.23795.94.001.254.331101.14.004.31399.70.004.261102.24.001.504.387104.516.004.340100.64.004.31097.916.001.754.359100.636.004.23399.464.004.33599.34.002.004.277104.964.004.182102.216.004.36097.54.00…—————————14.004.19899.14.004.570102.94.004.573102.84.0014.25 4.17299.94.004.539100.94.004.601103.44.00 14.503.36686.76084.003.36685.511236 4.16797.51156.0014.75 3.26981.7144.00 3.35085.04.003.94791.7400.00 15.003.10583.1484.003.27083.9100.003.78893.6256.00

图3　钻芯芯样照片

发生突变，2 — 3剖面波幅、波速也略小于临界值。从表2各声学参数值具体大小可看出，在14.50～15.00 m的深度内1 — 2、1 — 3剖面的波速为3.2 km/s左右、波幅为83 dB左右，而其它各深度点波速为4.2 km/s左右、波幅为100 dB左右；在14.5 m深度处1 — 2、1 — 3和2 — 3剖面的PSD判据分别为6084、11 236和1 156，相比较于其它点变化值较大。分析可得，由于1 — 2、1 — 3剖面波速波幅都较低，可初步判断是桩底夹泥，并且混凝土出现离析现象，造成此处混凝土强度很低。而2 — 3剖面波速波幅变化值较小，则说明可能是半边出现夹泥。

通过钻芯取样结果看，在14.50～15.00 m范围内芯样很松散且存在大量的夹泥，如图3所示，与声测结果刚好相吻合，说明声测结果较准确地反映了桩基缺陷的实际情况，能够较好地判别桩基施工质量的好坏。

3.4桩基缺陷处理

1) 注浆法。注浆法是目前处理桩基缺陷的一种常用方法。钻芯取样结果表明，在桩底0.5 m范围内存在夹泥和离析，拟采用注浆法进行处理。根据超声检测和钻芯取样分析，在靠近1 — 2和1 — 3这半边桩底缺陷较大，在此位置钻取2～4个注浆孔。因桩底存在夹泥，需要用高压水对注浆孔进行冲洗，冲洗过程中从其它注浆孔冒出泥浆水，直至冒清水为止。这样说明桩底夹泥已被冲出，且在桩底注浆孔形成了孔隙连通，为有效注浆创造了条件。

在注浆前，需对注浆液的质量进行严格控制，以保证注浆的效果。经过检验合格后，对各个注浆孔进行注浆，最终使注浆孔达到饱满。桩基是一项隐蔽工程，其注浆效果无法用肉眼直接观察，需借助一定的检测手段进行评价。

2) 声波透射法桩身完整性检测。待注浆14 d后用超声检测仪器SY6进行检测，主要对桩底缺陷位置进行详细检测，并与注浆前检测结果对比分析。结果表明，注浆后桩底各个剖面波速波幅基本正常，说明桩底孔隙基本被注浆液填满，且与桩基老混凝土形成了较好的胶结，达到了较好的效果。检测结果如图4所示。

图4　注浆后测试波形图

4结论

通过对声波透射法检测桩身完整性的原理、判断依据分析，再结合工程实例，采用声波透射法和钻芯法比较分析，最终可得到如下结论：

1) 在采用声波透射法判断桩身完整性时，需要对声学各个参数值进行综合对比分析，特别是波速和PSD值需重点考虑，对于声测可疑缺陷区应进一步采用加密测试和斜测法，确定缺陷的大小和具体范围。通过与钻芯法比较，结果表明，声波透射法检测具有较高的可靠性，能够快速评价桩基混凝土质量。

2) 对发现缺陷的区域采用注浆法进行处理，处理后采用声波透射法进行复测。测试结果表明，注浆法处理后效果较为明显，说明此方法处理桩身缺陷是一种经济和快速的方法；但受缺陷的限制，有时可能需要多次注浆才能达到效果，因此，需要视缺陷的情况来进行处理。

参考文献：

[1] 孟军涛，颜胜才，陈辉，等.混凝土灌注桩桩身质量缺陷声波透射法检测分析[J].铁道建筑，2014(6)：57-59.

[2] 李廷，徐振华，罗俊.基桩声波透射法检测数据评判体系研究[J].岩土力学，2010,31(10)：3165-3172.

[3] 李清华.声波透射法检测在桥梁桩基中的应用[J].福建地质，2013(2):155-160.

[4] 马溁.超声波透射法在桥梁桩基完整性检测中的应用[J].公路与汽运，2014(6)：173-177.

[5] JTGF81-1-2004,公路工程基桩动测技术规程[S].

[6] 余安，汤洪志，刘朋梅,等.声波透射法和反射波法在混凝土灌注桩缺陷检测中的对比研究[J].工程地球物理学报，2015,12(1)：111-116.

[7] 邹建.超声波法在基桩检测中的应用[J].长沙铁道学院学报，2013,14(1)：200-201.

[8] 韩侃，侯殿英.声波透射法桩身完整性检测的评价及分析[J].铁道工程学报，2013(3)：33-37.

文章编号：1008-844X(2016)02-0192-04

收稿日期:2016-01-22

作者简介:蒋彦华( 1984-) ，男，工程师，主要从事公路工程质量监督与工程造价管理。

中图分类号：U 446

文献标识码：B