声波透射法在蒙华铁路基桩检测中的应用分析

张 娜 胡朝彬 李广元 高承成 齐旭锋

(1.天津华勘基础工程检测有限公司，天津 300170； 2.天津华北地质勘查局，天津 300170)

0 引言

桥梁在铁路建设中广泛使用，而桥梁基础大都采用钻孔灌注桩。在已经开通运营的京沪铁路、津保铁路中，钻孔灌注桩所占的比重达到80%以上。桩基作为桥梁下部结构，主要为上部结构提供承载力，防止桥梁产生不均匀沉降。铁路桥梁基础下的钻孔灌注桩在施工过程中清孔不干净、孔壁坍塌、浇筑混凝土不当，都会造成桩基质量下降，从而导致承载力下降。如何对桩基完整性进行辨别，采取补救措施，保证桩基的质量，能有效的防止安全事故发生。低应变法能快速有效的对桩基完整性进行辨别，但对检测人员经验水平要求较高，对大长直径的桩基无法实现检测。声波透射法通过在桩身埋设声测管发射与接收超声波进行完整性检测，这种提前埋设声测管的方法在大长直径灌注桩中经常被采用。钻芯法采用钻机钻取芯样，也可以检测桩身缺陷，但费用高，时间长，一般较少采用，经常作为声波透射法检测的补充检测及验证手段。超声波作为机械振动波，它具有透射性、反射性以及绕射性等特点，通过超声波的波速和波幅变化情况及超声波信号的频率—波幅曲线在频域的变化特点，展开对超声波实测信号的分析研判，对桩基施工质量的控制具有重要的指导意义。

1 超声透射法测试原理

声波透射法检测需要预先将2-4声测管固定于钢筋笼上，在成桩过程中浇筑于桩体中。适用于桩径大于0.6 m钻孔灌注桩，声波透射法检测依据是：当仪器换能器发射一定频率脉冲波在完整混凝土中传播时，其内部的传播速度、首波幅度和接收信号主频等声学参数，一般无明显的差异与变化。若一旦在混凝土桩中存在缺陷，如离析、空洞、不密实以及裂缝等，将影响混凝土整体的完整性，当声波穿过时会造成声波在缺陷部位发生反射、折射或散射等，与完整部位相比将发生声时的变化，同时波幅和频率值都降低，产生波列的杂乱，波形相互叠加，发生无规律的畸变。利用上述原理，可以通过声波在混凝土构件中传播所得到的声学参数测量值和相对变化量，进行综合分析对比，判别其施工质量、桩身缺陷的程度并确定其位置。

2 现场检测准备工作及步骤

1)确保桩顶外漏的声测管在同一水平面上，在桩顶测量声测管外壁之间的净距离。保证声测管内注满清水。

2)将发射换能器和接收换能器分别通过导线轮置于两根声测管中，查看线上刻度标志，是否同设计桩长一致，发射换能器、接收换能器保持相同深度。

3)发射换能器与接收换能器同步从桩底向上提升。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。

4)应实时显示、记录每条声测线的信号时程曲线，并读取首波声时、幅值；当需要采用信号主频值作为异常声测线辅助判据时，尚应读取信号的主频值；保存检测数据的同时，应保存波列图信息。

5)同一检测剖面的声测线间距、声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。在桩身质量可疑的声测线附近，应采用增加声测线或采用扇形扫测、交叉斜测、CT影像技术等方式，进行复测和加密测试，确定缺陷的位置和空间分布范围(见图1)。

3 工程实例及分析

1)蒙华铁路河南段某工地桥桩的4号、5号钻孔灌注桩(端承桩)，设计混凝土抗压强度为C35，桩长12 m,桩径2 000 mm，4号桩、5号桩属于同一个承台，桩端持力层为弱分化石英片岩大理岩。桩身预埋3根声测管，其低应变曲线及声波实测(声时、波幅、PSD)曲线如图2，图3所示。

从图2的声测图中可看出，4号桩8.5 m～12 m范围内声速和振幅明显下降，存在严重缺陷，初步判断混凝土离析。从低应变反射波曲线看，桩为人工挖孔灌注桩，曲线受地层影响不大，且人工挖孔灌注桩在施工过程中，桩端清孔应该很干净，而桩端持力层为弱分化石英片岩大理岩，混凝土岩性同桩端持力层差不多，桩底反射明显，说明桩端有部分沉渣。从低应变反射波曲线初步判断此桩亦为三类桩性状。经过抽芯验证结果表明：4号桩8.5 m～12 m范围内严重离析。经检查施工记录，成孔过程没有异常，但是在浇筑成桩过程中，由于施工人员所下导管不够长，导管上提过程不规范，造成了下部混凝土离析。

从图3的声测图中可看出，5号桩11 m～12 m范围内声速和振幅明显下降，存在严重缺陷，与4号桩情况类似初步判断桩底附近混凝土离析，低应变反射波反应在10 m左右出现强烈的桩底反射，显示此桩偏短。经过抽芯验证结果表明：5号桩11 m～12 m范围内严重离析，经检查施工记录，也是由于施工时导管不够长且导管上提速度过快，导致混凝土离析。

从上面两个实例分析，声波透射法检测到缺陷位置处的声波波速和波幅曲线发生明显的剧烈衰减，三类桩性状均非常明显。通过钻孔抽芯验证桩端均为松散介质，桩身声速很低，因为是人工挖孔桩，一般不存在桩底沉渣问题，那么在桩底出现这种情况多属混凝土离析造成。

2)蒙华铁路河南段某工地桥桩的1号钻孔灌注桩(摩擦桩)，设计混凝土抗压强度为C40，桩长为30 m,桩径为1 000 mm,桩身预埋3根声测管，其低应变曲线及声波实测(声时、波幅、PSD)曲线如图4所示。

从图4声测图中可看出，1号桩3.4 m～4.4 m范围内声速和振幅明显下降，存在严重缺陷，初步判定为离析或夹泥。从低应变反射波曲线看在4.0 m左右缩径或夹泥，初步分析此桩亦为三类桩性状。由于缺陷不太深，经过开挖验证，结果表明1号桩3.4 m～4.4 m范围内严重夹泥。经查看施工记录，发现混凝土灌注过程不连续，时间间隔长达4 h，导致灌注交界面处的厚重泥浆沉积，再次灌注时夹裹在其中，造成严重的夹泥缺陷。

3)蒙华铁路河南段某工地的8号钻孔灌注桩(摩擦桩)，设计混凝土抗压强度为C40，桩长为23 m,桩径为1 000 mm,桩身预埋3根声测管，其低应变曲线及声波实测(声时、波幅、PSD)曲线如图5所示。

从图5声测图中可看出，8号桩6.1 m～7.5 m范围内声速和振幅明显下降，存在严重缺陷，初步判定为夹杂或离析缺陷。从低应变反射波曲线看在6 m左右缩径或夹泥，初步分析此桩亦为三类桩性状。经过抽芯验证结果表明：8号桩6.1 mm～7.5 mm范围内严重夹砂，经查阅地勘资料，本段地层为细砂层，成桩过程有塌孔情况。

取芯验证图见图6。

从上面三个验证实例进一步分析总结，当混凝土浇筑过程中导管不足长或导管提升不当易造成桩底离析或夹泥；当混凝土浇筑过程中时间间隔过长，易造成混凝土交界面的夹泥缺陷；非人工挖孔桩类的钻孔桩，在浇筑成桩过程中突发的塌孔易造成夹泥夹砂等缺陷。若缺陷在桩顶附近，其以上部位应进行截桩处理；若缺陷较深，缺陷处声波的声速和振幅均突变明显，应对缺陷进行加固处理。

4 结语

通过应用声波透射法技术对蒙华铁路不同标段的基桩完整性检测分析，该方法能准确的找出部分缺陷桩的缺陷位置，判断缺陷的严重程度，结合地勘资料及施工记录可大致判断缺陷的类型。对发现的缺陷，通过钻芯法或开挖法进行了验证，证明声波透射法准确度高、检测结果能直观反映桩身各个部位混凝土的均匀性。声波透射法还具有从上而下逐点扫描整桩全断面的优点，不易漏检桩身缺陷。

针对基桩施工过程隐蔽性高，施工质量难以有效控制的特点，通过声波透射法对钻孔灌注桩质量的检测，分析了施工过程中造成的不同桩身缺陷，及时指导了钻孔灌注桩的施工，使其质量控制在规定范围内，对保障铁路桥梁的安全性与稳定性意义深远。