缺陷桩基声波透射法检测的现场模型试验研究

付罗杰

（岳阳市交通运输综合行政执法支队 湖南岳阳 414000）

灌注桩广泛应用于市政工程领域，其在施工过程中常因一些不可控的因素而易出现缺陷，如缩径、断桩、夹泥、离析等状况。缺陷的出现严重影响了灌注桩的质量，通常表现为桩体承载力下降、沉降量变大等问题，对于这些缺陷，如果处理不当将会造成巨大的经济损失，甚至引发严重的工程事故［1-3］。

关于声波透射法，由于其具有操作简单、精度高等特点，因此被广泛应用于灌注桩的检测之中。目前就声波透射法的研究主要集中于桩基缺陷位置、范围及程度上，而关于缺陷类型的分析相对较少［4-5］。在实际工程中，桩身缺陷类型对基桩承载力及变形量的影响非常大，目前对缺陷桩的处治和利用大多也依靠经验，缺乏相关的试验研究。

基于此，本文拟对缺陷桩进行现场模型试验研究，采用声波透射法，从声学理论着手，收集桩基完整部分及缺陷部分的声学参数，并通过分析不同类型缺陷的声波数据获取不同缺陷类型对波速、波幅、PSD值等的影响规律，以期为桩基缺陷类型的判定，后期加固处治方案的甄选等提供技术支撑。

1 声波透射法相关参数

所谓声波透射法是指在预埋的声测管之间发射并接收超声波，通过实测声波在桩体混凝土中传播的时间、频率及波幅衰减等声学参数的相对变化来判断桩身完整性［6］。当桩身质量较好时，则声波传递速度较为稳定，而当桩身存在缺陷的时候，就会在曲线上出现突变或同一深度测点间的速度相差较大，出现异常低值区，下面先对相关判据进行简介［7］。

1.1 声速（或声时）判据

混凝土的物理力学性质受其内部结构特性与外部环境条件等多种因素制约，其声波传播特性反映了混凝土的应力应变关系［8］。根据弹塑性介质中波动理论，应力波波速为：

其中，E为介质的动态弹性模量；ρ为密度；μ为泊松比，而弹性模量与介质的强度之间存在相关性。

用声速的平均值μv与2 倍声速标准差δv之差作为判断桩身有无缺陷的临界值。

其中，

式中：n为测点数；vi为第i个测点的超声波速度；μv为声速平均值；Sv为用于判断桩身缺陷的临界值［9］。

1.2 波幅判据

取接收到的波幅平均值的1/2 作为判断桩身有无缺陷的临界值：

式中：μq为波幅的平均值；qi为第i测点的波幅值；qd为用于判断桩身有无缺陷的临界值。

1.3 PSD判据

对超声波探测桩身质量的评判，主要采用声时-深度曲线相邻两点之间的斜率与差值之积作为判据，即PSD判据，其形式为：

其中，Ki为第i测点的判据值；ti和ti-1为相邻2 测点的声时值；Hi、Hi-1为相邻2测点的深度［10］。

2 场地条件

本次开展的是足尺现场模型试验，试验场地地基浅层为厚度约为1.5 m 的杂填土，杂填土以粘性土为主，含碎石、砖渣及建筑垃圾等，1.5～6.0 m为石英硅质岩碎屑为主，夹少量砂砾及粘性土；6.0 m 以下为含砾粉质黏土，地下水位低于6.0 m，桩基采用人工挖孔桩方式成孔，孔壁具备自稳能力，开挖过程中不需支护。

3 模型桩及缺陷类型的设计

3.1 模型桩的设计

本试验中设置2根桩基，命名为1号桩及2号桩，2根桩的直径均为1 000 mm，桩长为5 m，桩身混凝土强度为C30，按照构造要求配筋，试验桩设计截面如图1 所示，依据规范在钢筋笼上设置3根声测管，声测管的布置如图2⒜所示，试验桩现场施工如图2⒝所示。

图1 试验桩截面Fig.1 Test Pile Section （mm）

图2 试验桩中声测管的布置示意图及试验桩现场施工Fig.2 Arrangement of Acoustic Measuring Tubes in Test Piles and Site Construction of Test Piles

3.2 缺陷类型的设置

桩基缺陷位置的设置是在前期调研和论证的基础上，结合本地区桩基工程施工过程中通常出现的问题，有针对性进行的设计，其中1 号桩设置的缺陷为：距桩顶4.2～4.4 m 处设置断桩，但钢筋保持连续贯通，距离桩顶1.6～1.8 m 处部分断面设置夹泥，桩的顶部设置离析；2 号桩设置的缺陷为：距桩顶3.6～4.0 m 处设置断桩，断桩中间夹杂杂质，但钢筋保持连续贯通，距离桩顶1.4～2.0 m 处部分断面设置缩径，桩顶部部分截面设置分散性泥团及“蜂窝”状缺陷。

断桩的设置：采用易于加工的木板制作成环形垫片，浇筑混凝土时，用钢尺测量确定垫片放置的位置，环形垫片如图3⒜所示；夹泥设置：在混凝土浇筑过程中，在设计位置添加适量的黄土；离析设置：在混凝土浇筑过程中添加适量的级配碎石，如图3⒝所示；缩径设置：在桩基的侧面添加一些泥块，达到减少桩基直径的目的；分散性泥团及“蜂窝”状缺陷设置：在混凝土中添加部分黏土或级配碎石搅拌后再浇筑。

图3 桩基中断桩的设置及混凝土离析的设置Fig.3 Site Construction of Test Piles and Concrete Segregation Settings

4 模型桩的现场测试及分析

4.1 模型桩的现场测试

试验桩浇筑完成后，待其达到设计强度后进行检测，采用基桩多跨孔超声波自动循测仪进行现场检测，声测管的编号如图4⒜所示，现场测量1-2 断面声测管间距为54 cm，2-3 断面声测管间距为45 cm，3-1断面声测管间距为54 cm。采用平测方法对桩基进行现场测试，测试方法如图4⒝所示，试验结果如图5～图8所示。

图4 声测管现场布置及测试方法示意图Fig.4 Acoustic Tube On-site Layout and Field Test Method

图5 1号桩声波透射法检测结果Fig.5 Results of Pile 1 Acoustic Transmission Method

图6 1号桩声波透射法检测波列-深度曲线Fig.6 Detection of Wave Train-depth Curve by Acoustic Transmission Method for Pile 1

图7 2号桩声波透射法检测结果Fig.7 Results of Pile 2 Acoustic Transmission Method

图8 2号桩声波透射法检测波列-深度曲线Fig.8 Detection of Wave Train-depth Curve by Acoustic Transmission Method for Pile 1

4.2 现场测试结果分析

1 号桩距桩顶4.2～4.4 m 断桩处PSD、波幅及声速明显降低，对声学参数影响最大处在断桩的中部位置，PSD 值明显增大，波幅大幅降低，最低波幅为86.4 dB，声速受影响也较大，最低声速为2.967 km/s；距离桩顶1.6～1.8 m 设置夹泥处，1-2 断面及1-3 断面声学参数出现异常，PSD 值明显增大，波幅最低为92.5 dB，声速最低为3.506 km/s；桩的顶部设置离析处，声学参数变化明显，PSD快速增大，而波幅及声速明显降低。

2 号桩距桩顶3.6～4.0 m 断桩处PSD、波幅及声速明显降低，对声学参数影响最大处在断桩的中部位置，PSD 值明显增大，波幅大幅降低，最低波幅为85.8 dB，声速明显降低，声速最低为1.418 km/s，因断层间有其他非连续性杂质，所以声学参数波动非常明显；距离桩顶1.4～2.0 m 设置缩径处，1-2 断面及1-3 断面声学参数出现异常，PSD 值明显增大，波幅最低为92.6 dB，声速最低为3.158 km/s；桩顶部部分截面设置的分散性泥团及“蜂窝”状缺陷处，1-3 断面及2-3 断面PSD、波幅及声速均有降低。

通过1 号桩及2 号桩的现场测试结果可以发现，混凝土声速与强度及致密性之间存在正相关性，当桩体内部有空缝存在时，超声波只能绕过空缝传播，因此传播路程增加，测得的声时必然偏长，其声速降低。当桩基混凝土中存在夹泥、离析、蜂窝等缺陷时，波传播过程中吸收及散射衰减增大，其声幅明显下降，PSD显著增加。

5 结论

通过对桩基的几种常见缺陷进行现场模型试验研究，获得了以下几点结论：

⑴通过现场试验发现，可依据声参数检测值与异常判断临界值的偏离程度来判断缺陷的程度及类别，且不同类别的缺陷其表现形式也存在差异，由此能减轻传统方法对缺陷程度判定上的主观随意性。

⑵当桩基内部为连续性缺陷时，声学参数异常会呈现出一定的规律，当缺陷为不均匀非连续介质时，声学参数呈现出无规律的变化状况，通过对不同类别缺陷的分析总结，可为后期类似缺陷的检测提供参考。

桩的完整性检测，由于受到诸多不确定性因素的影响，其缺陷类型也存在较大的差异，实际检测过程中，需根据具体的缺陷类型及程度进行针对性的分析，才能正确评价被检测桩基的质量。