浅析无损检桩技术在工程中的应用

文 刚

（中铁十六局集团第一工程有限公司， 北京 顺义 101300）

0 引言

本文以济宁泗河堤顶路项目中沂河大桥桩基为例，分别论述无损检测中大量使用的超声波透射法检桩和较少使用的低应变法检桩中遇到的问题处理，以及根据检测结果对桩基混凝土质量的判断分析。根据检测出的桩基缺陷，推演可能的形成机制，并以此总结提高桩基施工中的施工工艺。

1 超声波透射法

桩基工程一般多位于地表或水面以下检测难度较大，近年来国家对桥梁工程的质量要求达到前所未有的高度，传统的取芯法抽样检测面少，耗时耗力，无法做到全面掌握所有桩基质量性能参数，逐渐被淘汰。超声波透射法可以全面检测桩基缺陷，具有方便快捷，相对准确的特点，逐渐成为主流。

1.1 原理概述

超声波透射法是在桩基灌注前预埋声测管（视桩径大小不同预埋2-4 根）如图1 所示，检测时换能器沿声测管上下移动，同时发出的一定波长和频率的超声波被其他换能器接收。声波在穿过物质时会因物质密度，连续性，弹性模量的不同而产生波长，波速，频率以及能级变化，检桩中相对应的可能是混凝土离析，夹层，缩颈，塌孔等现象造成的缺陷。换能器将声波变化转化为电信号传输给检测仪器记录分析，得到实时变化的声速，振幅波形曲线，通过波形的畸变分析是否存在缺陷，以及缺陷存在的位置范围，由此得出全桩长的混凝土桩基完整性数据。

图1 声测管布置示意图

1.2 声测管安装

以沂河大桥为例，桩径1.4 米，等边布置声测管3 根，竖直固定于钢筋笼骨架内侧随之放入已成孔的桩基内，此过程要确保声测管固定有效，杜绝弯折和偏移。钢筋笼位置固定好后，往声测管内加满清水以保持管内外压力平衡，后密封管头，确保桩孔内泥浆不进入管内。检桩前声测管需插管冲洗，并保持水位高于设计桩长。任意两个换能器可以形成一个检测声波剖面，3 个换能器形成3 个剖面闭环。

1.3 主要参量

1.3.1 声速参量

超声波在桩基混凝土中的传播速度可表示为下式：

式中：E 为混凝土弹性模量

ρ为密度

μ为混凝土泊松比

在一般情况下，混凝土（声速4200m/s 上下）弹性模量E 与混凝土强度等级为相对应的正比关系，在强度一定的均质混凝土中，声波传播速度固定。以检测仪器中的波速临界值（概念统计理论得到的声速界值）为标准，如果存在缺陷则波速必然低于临界值，因此在波速曲线畸变大的位置大概率存在缺陷。

判断缺陷依据下面公式：

式中：V0为实时显示声速曲线值

Vm为声速临界值，

σv为声速的标准差

1.3.2 波幅参量

声波波幅临界值为波幅平均值减6dB,当实测值＜临界值时，表示测试区域可能存在缺陷。

式中：A0为实时显示波幅曲线值；

Am为波幅平均值

1.3.3 PSD 参量

在检测过程中检测仪基于换能器采集数据绘制“声时-深度”曲线，PSD 判定是根据曲线上相邻的两点的声时差值与两点间斜率的乘积来判断是否存在缺陷。

式中：tr，tr-1为第r 个和第r-1 个测点的声时；

dr，dr-1为第r 个和第r-1 个测点的深度。

1.4 声速、波幅、PSD 曲线图

1.4.1 下面以简化的曲线图阐述无缺陷桩判定依据

图2 无缺陷桩基的简化声测曲线

如图2 所示，此桩基有效长度为40m,声速临界值4200m/s，从检测开始后全桩长声速均大于临界值没有问题；波幅和PSD 曲线变化很小没有超过限值，综合以上信息可以初步得出此桩基混凝土质量稳定，没有缺陷完整性好。

1.4.2 简化的曲线图阐述有缺陷的桩基判定依据

图3 有缺陷桩基简化后的声测曲线

如图3 所示，此桩基在15～16 米处，声速显著降低，低于临界值；波幅曲线在此处也低于临界波幅，综合考虑PSD 波形畸变以及深度，可以考虑此桩在15 米处缩颈，或者有明显夹泥。

若对测三剖面有一面有问题，另外两面一切正常，则应该进行内部斜测，如果斜侧也是相对应的一个剖面有畸变，则可以判定为局部缺陷夹泥或局部离析；

如果正常对测三剖面全部在同一高度存在数值异常，那么需进行内部斜侧，同高度无斜侧异常则可以说明内部完整，外部桩径减少，可考虑判定为缩颈；

对测声速显著低于临界值50%以上，明显低于混凝土中声速范围，且波幅和PSD 曲线相应大幅畸变，则可以初步判定断桩。

还有常见的桩底沉渣缺陷，其声参曲线发生畸变在整桩的最底范围，可以根据曲线变化起始位置和桩长推算桩底沉渣厚度。

1.5 声波透射法应注意的事项

① 务必保证声测管密封性，杜绝施工中泥浆和杂物堵塞声测管；

② 一般使用的金属声测管会在内壁形成氧化物和悬浮物的附着，影响换能器耦合精度，所以在检测前应通高压水彻底冲洗声测管内壁，以保证检测数据准确性，减少误判；

③ 混凝土弹性模量E，即强度等级影响声测曲线临界值，所以待检桩基必须达到一定强度才可以进行检桩，一般至少要有14d 龄期。

1.6 对测和斜测

图4 对测斜测法示意图

① 普通对测是在同一剖面上的一对换能器始终保持在相同高程，并以相同的速率上升或者下降，对等高程进行逐点检测。在正常检桩过程中，绝大部分情形都适用此检测方法。

② 斜测法一般用在对测异常区域，以对缺陷进行较具体的定位。

2 低应变检测法

2.1 原理

低应变检测法是另一种无损检测桩基完整性的方法，其原理是把待检桩基顶部处理出一个平面，对其施加一个瞬时垂直向下的振动，振动波沿桩基纵向向下传播，在这个过程中，振动波遭遇离析、夹泥分层等缺陷时，由于阻抗变化产生一部分反射和透射，当反射波传导至桩顶时，被放置的传感器装置接收记录，实时的声时和波形可以综合分析桩基缺陷，以对桩基混凝土进行相应的判断。

2.2 优缺点

此法的优势很显著，具有简便、快捷、覆盖面广、费用低的特点，但低应变法用于检测桩基的缺点也很明显，由于振动波的衰减效应，对于大于50m 的桩基，准确性下降明显；而且实际检测中影响应变曲线的因素众多，包括但不限于不同地质的地质效应、桩本身长径比、待检桩强度等级、温度变化、桩底是否嵌岩等。因此低应变法适合作为声波透射法的补充，在缺陷出现时互相印证，达到避免误判，结论准确的目的。

3 结论

桥梁工程的安全性首当其冲，而作为一切的基础，桩基的质量安全至关重要。以上介绍的这两种方法可以完全避免损伤桩基，利用声电转换，计算机处理后输出可以实时观察的检测曲线。尤其是声波透射技术，抗干扰能力强，适用范围大，应用多种检测方法互相补充，数据准确性较高，可以判定较小范围的缺陷位置。但目前声波透射法还无法精确定位缺陷位置，并且不能判定缺陷种类，相信随着此项技术的进步，很快可以解决类似问题。