桥梁混凝土超声波检测技术在桩基检测中的应用

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1 桥梁桩基混凝土超声波检测技术原理

超声波检测技术主要是利用超声脉冲发射源将调频弹性脉冲波射入混凝土内部，再借助精准度较高的接收系统来接收并记录混凝土内部脉冲波传播过程中的波动特征。超声波检测桩基技术主要根据超声波的传播特点，将混凝土桩基看作弹性介质，利用超声波在其内部穿过桩身各横截面，得到一定的参数，配合检测仪器产生的脉冲信号，对得到的检测数据进行处理，判断混凝土桩基内部的完整性、连续性。

2 桩身混凝土质量与超声波声参量的关系

要想验证桩基超声波检测的有效性，就需要进行精确分析，它主要是以超声波透射法在整个检测的过程中出现的声参量与混凝土的物理学特征指标（强度、变形能力）之间的相关性作为理论依据。

超声波在混凝土中沿纵轴方向贯穿混凝土横截面，发出信号反馈出声学参数，反映混凝土内部结构的强度以及完整性。

根据弹性介质中波动理论，纵波波速如下式：

式中：E为传播介质的动弹模；ρ为传播介质的密度；μ为传播介质中的泊松比。当混凝土作为传播介质，声波在其中传播时，根据声学特点，介质会吸收一定的声波，让声波扩散进而衰减，因此从声波的发射点开始向外越来越弱。波的吸收计算公式如下：

根据上文可以发现，混凝土桩身的质量与超声波检测过程中得到的各项声参量具有相互作用。由此可见，当混凝土作为介质进行检测时，超声波在内部纵向传播时，声波发生绕射、反射、衰减这三种现象，说明声波碰到屏障，混凝土内部有缺陷。根据检测过程中产生的不同声参量，判断混凝土内部的完整性、连贯性，确定桩基是否存在安全隐患。另外，对混凝土桩基的缺陷判断以波形曲线形态主准，形态圆滑、主频峰值突出，没有明显异常的波现象，可以判断该桩基性能完好。

3 桥梁桩基混凝土超声波检测技术的检测方法

当对桥梁的混凝土桩基进行完整性以及连贯性检验时，最常用到的方法就是超声波透射法，将其中的双孔法作为现场检测的主要方法，需要选择预埋声测管的主要位置（见图1）和数量（见表1），还需要认真观测，可以采用平测观测或者斜侧观测。

图1 声测管布置

表1 声测管的埋设要求

声波仪器主要由计算机、发射转换器、接收转换器、声测管组成，其工作原理见图2。

图2 超声波测桩工作原理示意

4 桥梁桩基混凝土超声波检测技术的界定标准及实例

4.1 界定标准

以《公路工程桩基动测技术规程》（JTG/T F81-01—2004）为标准，严格按照其中的要求执行，根据混凝土桩身的缺陷程度、超声波反馈的声参量以及波形特点，将混凝土基桩的完整性按照标准划分，具体如下所述。

Ⅰ类桩：观察混凝土桩基外观桩身完整，功能性不受影响，正常使用，波形正常，波幅无明显异动。

Ⅱ类桩：混凝土桩基外观相对完整，功能性受到轻微影响，仍可以正常使用，波形正常，波幅值在临界值范围内。

Ⅲ类桩：混凝土桩基外观存在明显缺陷，功能性遭到破坏，承载力下降，波形变形严重，波幅值小于临界值，在PSD方面变化异常。

Ⅳ类桩：混凝土桩基外观缺损严重，功能遭到严重破坏，承载力不足，波形变形特别严重，波幅值全部超出临界范围并且变化异常。

4.2 工程检测实例

例一：某嵌岩桩桩身长为2100cm，利用超声波探测后发现，此桩桩身较为完好，自桩顶向下0～2100cm的整个桩身位置的AC、BC以及AB剖面的波幅值与声速值均在正常范围，参照桩身完整性评估表可知此桩为Ⅰ类桩。通过对此桩进行取芯检测发现，此桩自桩底至桩顶的胶结状况均较完好，故将此桩判定为合格桩。

例二：某嵌岩桩桩身长为1750cm，利用超声波探测后发现，此桩存在一些缺陷，且非常严重，自桩顶向下1600～1750cm位置的BC、AB剖面，以及1575～1750cm位置的AC剖面的波幅值与声速值均比临界值小，波形出现异常，PSD值也有所增加。参照桩身完整性评估表可知此桩为Ⅲ类桩。通过对此桩进行取芯检测发现，此桩自桩顶至1600cm位置桩身的混凝土胶结状况一般，自1600cm位置至桩底位置桩身的混凝土出现离析情况，故将此桩判定为不合格。

例三：某嵌岩桩桩身长为1900cm，利用超声波初测、复测后发现，此桩局部存在一些缺陷，自桩顶向下350cm位置的BC剖面、425cm位置的AB剖面以及275～350cm位置的AC剖面的波幅值与声速值均比临界值小，但波形未出现明显异常，参照桩身完整性评估表可知此桩为Ⅱ类桩。此桩虽存在一定的缺陷，但不影响正常使用，通过对此桩进行取芯检测发现，此桩自桩顶至425cm位置桩身的混凝土胶结状态较为良好，故仍可将其判断为合格桩。

5 超声波检测技术的应用注意事项

当利用超声波检测技术检测桥梁混凝土桩基时，应注意以下三个方面：

（1）在施工期间应保护好声测管，如果声测管受到损坏，则有可能卡住设备探头，使探头无法深入桩底，也有可能导致声测管内渗入混凝土和砂浆，引起堵管问题。在混凝土施工和对混凝土进行养护期间，均必须将盖子覆盖于声测管管口，这样不仅可以避免声测管内落入异物堵塞声测管，还可以避免换能器耦合因渗入杂物而发生故障。

（2）在埋设超声波声测管的过程中，应确保各声测管之间相互对称平行，且必须确保探头能够在声测管内同步自由伸缩，同时应根据桩基的直径来确定所需埋设的声测管数量。如果桩径＜80cm，应埋设2根声测管；如果桩径在80～160cm，应埋设3根声测管；如果桩径＞160cm，则至少应埋设4根声测管，检测时，应将2根声测管作为一组进行检测。

（3）超声波检测应在成桩的28d后开展，且检测之前必须先对桩头部位进行开挖处理，待磨平表面后方可实施超声波检测。

6 超声波检测技术的局限性

通常情况下，超声波检测技术可以顺利地检测出桩基混凝土的缺陷，然而桩身混凝土检测仅能检测出两根声测管之间混凝土的完整性，却无法准确地检测出桩基扩径混凝土的缺陷，由此可见，超声波检测技术存在一定的局限性，超声波只能用于桩基部分混凝土质量的检测，当对支撑桩及嵌岩桩的完整性进行检测时，应联合使用低应变反射法检测技术，再根据所测得的桩端支撑数据来判断桩基的承载性能能否达到设计及标准要求。

7 结束语

利用超声波桩基检测技术对大规模桩基检测时，该技术具有设备轻便、安装相对简单、操作便利、设备灵敏度高、反馈信号好等优点，非常适合应用于大规模、大尺径混凝土桩基检测，为现代公路、桥梁的建设提供全新的安全保障。虽然该技术具有较强的穿透能力，可以帮助施工单位较为准确地掌握桥梁桩基的完整状况，但是其也存在一定的局限性。因此，在未来的工作中，相关人员应加强对超导波检测技术的探索和改进，以促进超声波检测技术的良好发展，从而为我国混凝土工程建设的发展提供可靠的技术支撑。