超声波透射法在桩基检测中的应用

杨嘉明，闫占豹，王春阳，韩 飞，刘 凯

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062）

1 概况

随着中国国民经济的健康和谐发展，国家对交通基础设施领域的投资力度不断增大，数以万计的高层建筑、厂房、桥梁、港口码头等工程建设项目投入建设。桩基础已做为一种重要的基础形式，被广泛应用其中，尤以混凝土灌注桩被使用的最多。然而桩基工程属于隐蔽工程，具有施工程序多、施工难度大、技术要求高的特点。因为地质条件、施工工艺、机械设备、人员操作、作业条件等因素的影响，容易使得混凝土灌注桩出现质量问题。而且桩基质量的好坏直接关系到整个工程的安危，所以桩基质量检测至关重要。目前桩基质量检测的方法较多，单桩竖向抗压静载试验、单桩竖向抗拔静载试验、单桩水平静载试验、钻孔取芯法、高应变法、声波反射法（低应变法）、声波透射法（超声波法）等。

声波透射法与其他的桩身完整性检测方法相比，具有信息量丰富、全面、细致的特点：可以依据对桩身缺陷处加密测试（斜测、交叉斜测、扇形扫测及CT影像技术）来确定缺陷几何尺寸；可以将不同检测剖面在同一深度的桩身缺陷状况进行横向关联，来判定桩身缺陷的横向分布。

2 工作原理

根据费玛定律：声波在介质内从一点向另一点传播，一定会沿着最佳、最省时的路径传播。介质的声学参数特征值与介质的物理力学情况有关，混凝土虽然是多种材料组成的复合体，但是内部均匀正常的混凝土，声波在其内部的传播速度在一定的范围之内，当测距一定时，可以根据声波的大小判定混凝土内部质量情况。桩身混凝土存在缺陷如裂缝、离析、蜂窝等破坏了混凝土的连续性，这样的情况下，声波将会发生的散射和绕射声能被衰减。因此声波的传播路径变得更加复杂，穿透的声波信号的声时将会延长、波速和振幅因为衰减而降低、超声波频率特别是主频率也因声能衰减发生频漂等一系列变化。总之，当超生波穿过桩身存在缺陷的混凝土时，声波各项声学参数特征值因各种衰减会出现波速降低、波幅减小、突变、波形畸变、主频下降等特征。超声波透射法就是根据各项声学参数特征值在混凝土中传播的变化，判定桩身混凝土的完整性并能较准确地测定缺陷的位置和大小，以及初步判定缺陷的性质，为判定桩基混凝土质量等级提供理论支持。

3 声测管布置原则

声测管应沿钢筋笼内侧呈对称形状布置，并依次编号。见图1所示。声测管埋设数量应符合下列规定。

图1 超声波透射法埋管示意图

1）桩径小于或等于800 mm时，不得少于2根声测管，可获取1个声测剖面；

2）桩径大于800 mm且小于或等于1 600 mm时，不得少于3根声测管，可一次获得3个声测剖面；

3）桩径大于1 600 mm时，不得少于4根声测管，可一次得6个声测剖面；

4）桩径大于2 500 mm时，宜增加预埋声测管数量，获得声测剖面数量视声测管数量而定。

值得指出的是，当桩径小于600 mm时，声测管的声耦合误差使声时测试的相对误差增大，因此桩径小于600 mm时应慎用超声波透射法进行桩基检测。

4 采集方法的选择

通常情况下，超声波透射法检测时先采用平测（即将发射换能器和接收换能器置于同一平面进行同步升降测量），根据JGJ106-2014规定当平测时的步距不应大于100 mm，提升过程中，应校核换能器的深度和校正换能器的高差，并确保测试波形的稳定性，提升速度不宜大于0.5 m/s，过快易发生漏波和畸形波。当发现波形有局部异常时，首先加密测量减小步距进一步确定缺陷大小及位置并防止因仪器原因出现误测，可将步距调整为50 mm进行重测。在确定存在异常及其竖向位置后，应采用扇形扫测、交叉斜测、CT影像技术等方式，进行复测和加密测试，确定缺陷的空间分布范围，排除因声测管耦合不良等非桩身缺陷因素导致的异常声测线。采用扇形扫测时，两个换能器中点连线的水平夹角不应大于40°。各种扫描测试方法见图2所示（T：发射探头，R：接收探头）。

图2 超声波透射法采集方法示意图

5 工程概况

某水利工程坝下交通桥位于坝址下游约1.9 km处，线路走向与枢纽坝轴线基本平行，主线在西南与右岸上坝公路相接，向东北跨越航道和船闸下游引航道与左岸上坝公路相连，另外在江与引航道之间，设置连接线与进厂公路相连。坝下交通桥包括主线跨江航道主桥、主线跨引航道主桥、主线引桥、进场公路接线（包括A线、B线，以及桥头引堤）。累计43个墩台，共计136根钻孔灌注桩，桩径有1，1.5，2和2.5 m。根据声测管布置原则分别布置3或4根声测管进行超声波透射法桩基检测。

6 实测成果分析

现选取某一墩台的2个桩基（桩径1.5 m）超声波检测的6条声测曲线进行解释说明。

6.1 1号桩

表1 1号桩基超声波检测成果表

通过对比表1和图3中3个剖面的各声学参数及波形情况可知：A-B，A-C，B-C剖面声学参数无异常；A-B剖面47.8～47.9 m波形存在轻微畸变，但纵向不连续，A-C，B-C剖面波形无畸变，因此在一个深度横向分布的数量小于剖面数量的50%，根据规范JGJ106-2014可得1号桩满足I类桩第二个条件，可定为I类桩。

图3 1号桩基超声波检测成果曲线

6.2 3号桩

表2 3号桩基超声波检测成果表

通过对比表2中3个剖面的各声学参数及波形情况可知：A-B剖面37.1～38.1 m、47～48 m波速低于临界值，波形明显畸变，且对应深度异常声测线纵向连续分布；A-C剖面36.9～38.1 m，47.8～48 m波速低于临界值，波形明显畸变，且对应深度异常声测线纵向连续分布；B-C剖面37.1～37.9 m，42.2～42.9 m，47.2～47.9 m波速低于临界值，波形明显畸变，且对应深度异常声测线纵向连续分布。可见3个剖面在深度37.1～38.1 m之间均见纵向连续分布异常，说明在一个深度横向分布的剖面数量为100%，大于50%，根据规范JGJ106-2014可得3号桩满足IV类桩第一个条件，可定为IV类桩，为废桩，必须补桩。

通过前期地质超前钻中的声波测井资料，得知3号桩在深度37.1～38.1 m间岩溶发育，随后查阅桩基混凝土灌注班报，得知该深度混凝土灌注时流失严重，虽进行了补强灌注混凝土，但可能由于岩溶等地质原因导致该部位桩体存在缺陷。

7 结论与认识

1）实测1号桩为I类桩、3号桩为IV类桩，检测成果真实有效，避免了IV类桩对工程质量的影响，解决了工程所关注的问题。

2）超声波透射法对缺陷比较灵敏，且可靠度几乎为100%，尤其对多缺陷桩，能够准确检测每个缺陷的位置及严重程度，不会互相影响。

3）为增加桩基检测的真实可靠性，在识别异常声测曲线时，应先综合分析前期地质资料和施工过程记录资料，排除非混凝土缺陷异常信号后，再严格按照规范的标准，进行桩身完整性的判定。

4）按照设计要求，此次桩基检测只采用了超声波透射法，并未同时采用目前同样常用的低应变反射波法，多种检测方法的同时运用，虽增加了检测经费，但可以起到相互校准与验证的效果，提高检测的准确性，应得到普遍的推广与运用。

［1］刘金砺.桩基工程检测技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1995.

［2］罗哄先.桩基工程检测手册［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］赵裹.浅谈应卢波透射法进行灌注桩检测［J］.山西交通科技，2006（5）.

［4］JGJ106-2014,建筑基桩检测技术规范［S］.

［5］卞兆津，唐海军.声波透射法在混凝土灌注桩完整性检测中的应用［J］.物探与化探2006（2）.