超声波透射法检测桩基完整性常见缺陷对应声参量特性分析

沈璐璐

（中铁大桥局集团第四工程有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

桩基础是建（构）筑物建设中常用的基础形式及加固办法，既往有资料统计，国内年均用桩量超出300万根，混凝土灌注桩是常用的桩基础形式，尤其是大直径桩基基本应用的是混凝土灌注桩。桩基施工质量直接关系着整个建筑的安全性，也和人们的生命安危密切相关。桩基属于隐蔽工程的范畴，现场施工工序复杂，环境条件较差，容易出现断裂、空洞及混凝土强度降低等问题[1]。应科学分析桩基质量缺陷位置，应用超声波技术辅助检测桩身完整性，总结相应的声参量特性。

1 超声波透射法检测缺陷原理

当下，超声波透射法是公认的检测混凝土灌注桩桩身缺陷、测评其完整性的有效手段之一，当超声波在混凝土内传播后，其将会带着和混凝土材质、内部结构及组成相关的信息，精准测量出超声波经过混凝土传播以后各项声学参数的量值及变化情况，据此便能判断出混凝土自身的性质、内部构造特征及成分构成等。

当混凝土没有缺陷时，它是一个连续体，超声波在其内正常传播。但若混凝土有空洞、蜂窝区等缺陷时，那么混凝土的连续性随之中断，缺陷区和混凝土之间形成界面，超声波在该界面上的传播情况出现一定改变，比如反射、散射以及绕射等[2]。

2 检测技术

2.1 检测前期的准备工作

指派专人现场调查，被检工程的实际情况具体是采集桩基地质资料、设计图纸与施工记录、监理日志等，全面了解施工工艺的应用及现场施工中突发的异常状况等，认真填写委托单据及元素记录表，明确要求桩基设计龄期应符合拟用检测法对混凝土强度提出的要求，通常在14d 以上或桩身强度抵达设计70%。正式检测之前要准确测出声测管与耦合水层声时修正值与检测系统的延时[3]。

2.2 采集现场数据

2.2.1 大部分情况下，利用平测法检测桩基缺陷。若现场通过检测发现存在可疑缺陷区时，则要改用斜测、扇测或加密法进行检测。

2.2.2 提升操作时要匀速用力牵动，严禁速度过快。

2.2.3 检测同一根桩基础时，发射、接收换能器要以等同标高同步升降，并且要维持发射电压等仪器参数恒定不变。

2.2.4 检测现场保留好数据后，可以查看刚刚测得的数据，若探查到该数据内存在较明显的信号异常情况，则可以把探头重新放回到管底，维持不同探头管口深度的统一性，二次提升测试[4]。

2.2.5 于桩身质量可以的测点周边，应用增加测点布置密度的方法，或用斜测、扇形扫测等进行复测，进而使桩身质量缺陷定位更加精准。

2.3 完整（基本完整）桩基检测

针对桩身混凝土结构完整（基本完整）的桩基，不同被检剖面超声波接收信号并不会形成显著差异，波幅响度较高，波形基本位置良好，各项声学参数均在正常区间内变动，且其频谱特性呈现出相对稳定性特征。

某电厂改线工程采用了钻孔灌注桩作为桩基础，桩身混凝土设计强度C25，直径1500～2300mm，孔深12～20m，各桩均埋设了3 根声测管。其中D3 号桩全长16m，桩径2100mm，该桩基整体分析及测评如下。

2.3.1 该桩基三个测向声速、波幅-深度曲线上被测点测得数值之间的离散度不大，可以应用概率法算出声速及波幅临界值，统计发现计算出以上两项指标对应值后均没有形成异常点。

2.3.2 三个不同测向的PSD-深度曲线走势均较平稳，各个测点PSD 值都处于正常改变范畴，据此判定该桩基没有质量缺陷。

2.3.3 实测波形首波走向陡峭，后续波形成了较大的波幅，波形包络线类似于半圆形，波形没有形成较明显的畸变[5]。

2.3.4 实测后认定整个波形频谱特性较好，频谱主频峰值突出，这也预示着桩身混凝土均匀度较好。

整体分析以上超声图像特征，可以判定被检桩基是完整桩。

3 常见桩基缺陷的检测案例

3.1 严重分层离析

某省级公路，K24+850 中桥4-4 桩，桩径1.2m，桩长18.Om，C25 混凝土浇筑。I、II、III 剖面临界值VO分别是4.059km/s、3.987km/s、3.986km/s，AO 对应值分别是102.21dB、104.21dB、107.59dB，该桩基以上三个剖面声参量多段形成严重异常。-5m 之上缺陷位置混凝土声速2.19～2.75km/s，III 剖面波幅参数最低值是77dB，和临界值相比最低值低出约30dB。开挖-5m 以上的部分，发现-3～-4m 区段混凝土严重离析、分层(夹砂)、局部区段混凝土呈现出明显的松散状[6]。

3.2 桩底沉渣

某公路K116+1001 号大桥，2～3 桩，桩径、桩长对应值分别是1.6m、24m，混凝土等级C25。I、II、III 剖面临界值VO 分别 为4.136km / s、4.036km / s、3.885km/s，AO 对应值分别是111.99dB、114.49dB、113.04dB。在-23.1～-24.1m 范围中以上三个剖面声参量均严重异常，III 剖面声速、波幅最低值分别是1.82km/s、83.52dB，和临界值相比最低值低出30dB左右。经现场钻芯检测验证后，认定以上区段混凝土存在者沉渣缺陷问题。

3.3 夹泥

某个公路，K113+753 中桥，0-11 桩，桩径、桩长分别是12m、15m,C25 混凝土施工。I、II 剖面临界值VO分别是4.205km/s、4.120km/s，AO 对应值分别是11.26dB、104.89dB。-2～-3m 范围中部分声参量严重异常，声速、波幅参数低值分别是2.82km/s、74.91dB，现场开挖检测验证后，可以判断出该区段混凝土存在着夹泥缺陷[7]。

3.4 夹砂

某工程选择冲孔灌注桩作为桩基础，桩身混凝土设计强度等级C25,设计直径1600～2300mm，孔深范围20～30m，各个桩体均埋设了3 根声测管。其中L7号桩全长达到26m，桩径2100mm，图1是部分测向实测曲线，做出如下分析及评价内容。

3.4.1 0.5～1.m 内A-B 测向声速正常，波幅较小，25～26m 范围中声速、波幅都呈现出偏小的特点；B-C 测向于25～26m 中没有形成较大波幅，声速未见显著改变；A-C 测向于0.5～1m 与25～26m 范畴中声速及波幅都较小。

3.4.2 三个测向的实测声速值3.9～3.96km/s，处于混凝土声速的正常区间内，但于8.5～9.5m 区间声速值显著降低。

3.4.3 三个测向的PSD-深度曲线于8.5～9.5m区间中都有肉眼可见突变，A-B、A-C 测向PSD 值分别在25.5m、25m 处形成突变点，结合工程设计数据可以判断该桩于8.5～9.5m 范畴中可能存在较大范围的夹泥，A-B、A-C 测向分别在0.5～1m、25～26m 范畴中可能存在着低强区。

3.4.4 分析各测向的正常与异常测点的波形以及频谱，发现各测向异常点位置波形首波幅值都显著低于正常测点位置的幅值，但后期依然存在者一些幅度，波形和喇叭形较为相似；各测向异常点位置频谱的主频呈现出显著的多峰表象，并且异常测点的主频幅值显著低于正常测点的幅值，提示异常测点位置桩身混凝土内部可能存在这部分其他软弱介质。

后期经现场钻孔取芯检测实验证实，该桩基在8.5～9.5m 范畴中混凝土呈松散态，大概有90cm 范畴不能顺利获得芯样，部署于A-B 与A-C 测向的取芯孔在0.5～1m 区间内获得的芯样自身存在者大小不等的气孔，25～26m 范围中所得芯样夹杂着少许泥砂，整个芯样的强度偏低。

4 结论

基于桩基工程缺陷检测实例，可以发现桩基混凝土常见的质量缺陷相应的超声波声参量具备一定特性：

一是沉渣：灌注桩桩底是这种质量问题的高发部位，沉渣属于一种松散介质，会使声波传播过程中出现明显衰减，声速及波幅显著下降是声参量的主要表现；

二是夹砂：混凝土浇筑导管提升操作不规范是这种缺陷问题的主要诱因，如果出现在桩身则很容易产生断桩情况。声速和波幅是声学参数的主要数值。当波幅急速降低时，质量缺陷处于桩身时通常会快速突变，形成“尖”样，而在桩顶上这种突变是极为缓慢的过程。当桩基出现夹砂缺陷时，超声波的声速通常不会明显降低，且声速具体值通常不会过低。

三是夹泥：这是灌注桩桩身常见的质量问题之一，声速和波幅均降低是声学参数的主要表现，缺陷严重情况影响以上参数降低值的大小。当泥完全包裹声测管时，声参量大幅度降低，尤其是波幅，会形成“帽”状。

四是分层离析：当出现这种质量缺陷时，引起的最直接后果是大量粗骨料堆积在桩身混凝土一侧，而另一侧通常仅有砂浆。粗骨料聚集过多的一侧在声学上表现出明显高波速，形成一定缝隙，在该位置超声波会出现不同程度的反射、散射情况，此时接收到的声波能量将会有不同程度的衰弱，波幅显著降低。