声波透射法检测桩基完整性原理及工程应用

张继华，孙华圣，陈家瑞，卢 涛，沙刘存，李秉蔚

(淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

声波透射法检测桩基完整性原理及工程应用

张继华，孙华圣，陈家瑞，卢 涛，沙刘存，李秉蔚

(淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

桩基础属于隐蔽工程，其完整性的好坏关系着整个工程结构的稳定性和安全。桩基完整性检测方法有多种，而声波透射法不失为一种简易、安全、高效及经济的无损检测手段。本文以某工程钻孔灌注桩为背景，在全面分析声波投射法检测原理的基础上，采用了斜率法(PSD法)、密集测量及声影重叠相结合的方法对其完整性的位置和大小进行了判别，提高了检测精度，为下一步工程的安全施工提供了可靠保障。

桩基检测；声波透射法；完整性；混凝土

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，大规模的基础建设如雨后春笋一般拔地而起，而桩基作为其中的一种基础形式以及其特有的优越性，被广泛地应用于桥梁工程、高层建筑及路基工程之中[1-4]。桩基地处整个建筑构造的最底层，属于隐蔽工程，而其繁多的施工程序、复杂的工艺流程，再加之地质条件、施工人员和机械操作等条件的影响，很容易产生断桩、裂缝、孔洞、蜂窝、离析、夹泥等各种形态的缺陷，如图1所示，从而导致桩基完整性和承载力的降低。如果任由此类缺陷存在和发展，日后必为整个工程带来巨大的风险，甚至造成人员的伤亡和财产的损失。桩基完整性检测就是为了发现这些缺陷的存在，并及时采取处理措施和补救方法，最大程度地降低安全隐患。目前，桩基完整性检测方法主要包括[5]：钻芯法、声波透射法、低应变法。而声波透射法以其操作简易、安全可靠、检测全面、高效快捷及经济合理等优点，被广泛应用于桩基完整性检测领域。鉴于此，本文以济宁市某工钻孔灌注桩为背景，采用相敏检测(PSD)、密集测量及声影重叠等相结合的方法对其完整性进行了检测，为下一步工作开展提供了安全保障和科学依据。

1，2，3裂缝 4孔洞；5蜂窝；6层状破坏

1 检测原理

超声波传播波速和波形会因混凝土强度的不同而发生变化。若混凝土的整体完整性好，内质均匀，超声波的波速就会正常，波形完整，而不会明显畸变；若混凝土内部存在蜂窝、孔洞、空隙或裂缝等缺陷时，超声波的波速会低于正常值，而波形就会产生畸变或缺失。声波透射法检测灌注桩的原理就是基于以上理论。声波投射检测系统如图2所示，检测时，分别将发射探头和接收探头放置声测管中，发射探头发出超声波经过混凝土传播至接收探头，实时接收的波形里面包含桩基混凝土信息(混凝土密实度参数)。通过记录不同侧面、不同高度上的超声波动特征，经过处理分析就能判别桩基测区混凝土内部缺陷的位置、空间大小及性质。

图2 声波投射桩基检测系统

采用声波透射仪检测桩基混凝土内部缺陷，其判别依据主要包含四点[6-10]：

(1)当混凝土内部存在缺陷时，超声波的声时和声速会发生变化，一般测得缺陷部位的声时要比正常部位大，而声速则比正常部位小，则根据声时和声速的变化情况可以判断出缺陷的范围和位置；

(2)混凝土内部缺陷可使超声波在缺陷界面发生散射，导致接收探头接收的能量显著衰减，因此能量衰减的程度可以用来判断缺陷是否存在及其大小；

(3)混凝土内部缺陷可导致接收的超声波频率发生变化，因此可以通过收到的波频谱与反射波频谱之间的差异来判断桩基存在的缺陷；

(4)混凝土内部缺陷可导致超声波波形发生转换和叠加，接收到的波形会发生畸变，可以根据波形畸变现象判别缺陷的位置和大小。

2 检测判据

2.1 声速判据

混凝土是按一定的比例由胶凝材料和骨料混合搅拌而成，从而决定了其内部成分组合的随机性。当超声波经过混凝土内部时，所测声速值将服从正态分布。若某处不具备正态分布特征，则可判定该位置存在缺陷的可能性很大，即声速异常处为缺陷位置。

单根桩的声速的平均值和标准差：

(1)

(2)

根据数据统计的样本数，查表1中1/n对应的ki值，利用下式即可求出临界值：

XL=mx-kiSx

(3)

通过剔除小于的值再将剩余的数据重新计算平均值m'x和标准差s'x，求得新临界值X'L。不断重复以上计算过程，直到剩余数据均大于XL。而这些被剔除的数值即为异常数据，并对应缺陷所处位置。为了避免标准差过大、临界值偏低、临界值离散大等不合理情况出现，还应选用两边剔除法，即小、大交替剔值法、先小后大剔值法、先大后小剔值法[11]。

2.2 波幅判据

声波透射仪接收到的首播波幅是判别桩基混凝土缺陷的关键参数，其值反映桩基混凝土缺陷比声速还明显，但其受仪器、测距和耦合状态影响较大，导致所测值稳定性较差。按照桩基检测规范标准，当某点波幅的实测值小于临界值时，可看作波幅的异常点[12]，其值可由下式确定：

(4)

Api

(5)

式中：Am为超声波波幅的平均值，单位是dB；n为检测的点数。

表1 统计样本数与对应得值

2.3 主频判据

声波透射仪接收的主频漂移程度，即声波的衰减程度，能够体现出桩基混凝土的完整性。声波的主频漂移越大，相应的测点混凝土完整性就越差，但其与声速一样，受影响的因素居多，对混凝土内部缺陷反应不敏感，很少单独应用于实际。在检测规范中，只将声波的主频值作为桩身缺陷判别的辅助值。

2.4PSD判据

PSD判据是根据所测数据绘制“声时—深度”曲线，并以曲线上相邻两测点的斜率与两测点相对应的声时差的乘积来判断桩基的完整性，偏离两者乘积的测点视为可疑缺陷点，同时结合波幅等声波参数变化情况，来综合进行异常点分析和判定。

检测深度相邻两测点的斜率为：

(6)

PSD法判据：

(7)

式中：ti为第i个测点的声时，μs；ti-1为第i-1个测点的声时，μs；Zi为第i个测点的深度，m；Zi-1为第i-1个测点的深度，m。

3 工程应用

3.1 工程背景

该工程位于济宁市高新区杨井社区，桩基采用混凝土进行灌注，混凝土强度为C30，工程共灌注421根桩，桩径为1000mm，桩长28m。根据岩土工程勘察报告，该工程地层情况如图3所示。

图3 测区综合地层图

3.2 测管布置

桩基完整性检测采用NM-8D多通道声波透射法自动测桩仪，如图4所示，为了提高准确性，在施工时预埋3根声测管，有3个测试面，检测桩的数量为56根。声测管采用50#无缝钢管，用点焊的方式预先固定在每段钢筋笼架立钢筋的内侧，并要保证声测管埋到桩底。另外，声测管底部应采用铁皮焊死，并保证上端管口高出桩顶30～50cm[13]。假若声测管密封不严实，声测管就会因下放过程中泥浆的涌入或浇注时的水泥浆涌入造成阻塞，从而影响检测工作的进行。采用声波透射仪检测前，应用清水冲洗声测管，以防传感器在升降过程中受到阻碍。

图4 NM-8D多通道声波透射法自动测桩仪

3.3 检测结果

为了提高检测结果的精度，桩基检测采用了斜率法(PSD法)、密集测量及声影重叠相结合的方法对其完整性的位置和大小进行了判别。根据声波投射法检测判据，将桩基的完整性分为四个类别，其具体声学参数特征见表2。由于桩基检测数量和测试面较多，本文以15号桩基为例，其3个检测面的声学参数变化情况如图5 所示。

图5 桩基检测声学参数变化情况图

表2 桩基完整性检测类别划分表[14]

通过检测结果可以看出：

(1)15号桩基3个检测剖面各测点的声学参数离散性不大，利用概率法统计法进行声速临界值计算，所得结果无异常点出现。

(2)3个检测剖面的声速平均值在3.85～3.90km/s之间，声速最小值为3.52km/s，在正常值范围内。

(3)通过观察波形图，首波波形比较陡峭，而后续波波幅变化较大。

(4)声波透射仪接收到的波形主频38～40kHz(45 kHz)，主频未发生较大的漂移量，且该漂移量较稳定。

综合以上声学参数特征，判定15号桩完整性等级定为I类。另外，通过综合分析其他55根桩的声速、主频、波幅和PSD值等各项指标，所检测结果均为Ⅰ类桩，为下一步工程的安全施工提供了可靠保障。

4 结语

声波透射法检测桩基的完整性具有其独特的优势。但由于工程实际众多的影响因素，单独地使用数理统计法或PSD法探寻桩基的缺陷局限性较大，尤其是声测管倾斜的情况，很容易导致缺陷的误判。而采用多方法多手段相结合的方法，则能在很大程度上提高检测结果的精度。在检测过程，对存在严重缺陷的桩基不能掉以轻心，必要时可以利用钻孔取芯法和低应变法综合分析评价。另外，对于有缺陷的桩基还应进行承载力校核，若能满足承载要求则可不必处理，降低经济成本。

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[5] 刘利民,舒翔,能巨华,等.基桩工程的理论进展与实践工程[M].北京: 中国建材工业出版社，2002．

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[12] 黄志伟.超声波检测桩完整性的模糊综合评判研究[D].广州：广东工业大学,2008.

[13] 王英. 混凝土灌注桩工程质量超声波检测理论、方法及应用[D].济南：山东科技大学,2005.

[14] 王鹏,樊勇,马锐,徐晓东,范瑜洋.钻孔灌注桩的超声波检测技术应用[J].淮阴工学院学报,2016(1):77-80.

(责任编辑：孙文彬)

Application and Principle of Acoustic Transmission Method in Detecting the Integrity of Pile Foundation

ZHANG Ji-hua，SUN Hua-sheng，CHEN Jia-rui，LU Tao，SHA Liu-cun，LI Bing-wei

(Faculty of Architecture and Civil Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an Jiangsu 223001，China)

Pile foundation belongs to concealed engineering, and its integrity is related to the stability and safety of the whole engineering structure. There are many methods for detecting the integrity of pile foundation, and acoustic transmission method is a simple, safe, efficient and economic non-destructive detecting method. This paper takes a bored cast-in-situ pile as background.On the basis of comprehensive analysis of the principle of sound wave projection method，the position and size of its completeness are determined by the slope method (PSD), dense measurement and sound shadow overlap. The detecting precision is improved, which provides a reliable guarantee for the safe construction of the next project.

pile foundation detecting; acoustic transmission method ; integrity;concrete

2016-11-19

江苏省自然科学基金(BK20160426);江苏省大学生创新创业训练计划项目(Z205C16575);淮安市科技计划项目(HAG201606);博士科研启动基金(Z301B16511)

张继华(1984-) ，男，山东嘉祥人，讲师，博士，主要从事采动岩体力学与工程和无损检测方面的研究。

TU473.1+6

A

1009-7961(2017)01-0047-05