声波透射法在钻孔灌注桩完整性检测中的应用

◎魏龙 中交第一航务工程勘察设计院有限公司

钻孔灌注桩由于工艺简单、对周围环境友好等优点，常常作为桩基设计的首选。但钻孔灌注桩施工时相较于预制桩受外界干扰较多，经常出现各种质量通病，据资料统计，钻孔灌注桩的缺陷率长期处于5%～20%之间，所以对其进行完整性检测尤为重要。如果桩只是存在轻微缺陷，一般不会对后续使用造成影响，但出现明显缺陷或严重缺陷，则需要进行修复处理甚至补桩。目前钻孔灌注桩完整性检测最常用检测方法是低应变法，在低应变测试时，桩顶受到锤击，产生的能量随着传播距离的增大而衰减，有时很难采集到真实、有效的桩底信号。《公路工程基桩检测技术规程》中条文显示，实际测试时有效桩长（长径比L/d）需要通过现场试验来确定，一般情况长径比通常在30～50之间时检测效果比较理想。由于低应变法存在有效桩长的限制，对判别桩身完整性及桩端状态有一定技术弊端，所以急需另一种检测方法作为补充，虽然声波透射法基本原理和低应变法相同，但通过预埋声测管可自下而上进行全桩长检测，结果更为准确、可靠。本文针对钻孔灌注桩可能出现的缺陷，结合声波透射法原理、检测方法及评价标准、实际应用展开论述，旨在总结规律，积累宝贵经验。

1.声波透射法的原理

1.1 基本知识

声波是一种在介质中传播的机械波，声波透射法所使用的声波按照频率分类归为超声波，其频率范围在20KHz～100MHz之间，频域较广。声波在介质中传播时，虽然人耳无法感知，但其声速、声幅及声频是可以通过仪器采集到的，声速大小受波的类型、介质性质和边界条件影响，其中介质性质（如ρ、E和G）是造成波速变化的内因，介质E或G越大，波速就越大，而声幅随着传播距离的加长而减少，原因是受介质材料粘滞属性、结构特性和几何特性影响从而导致了呼吸衰减、散射衰减及扩散衰减，所以当测距过大时，就很难通过仪器采集到有效的声波信号。

1.2 检测原理

混凝土由水泥、石子、水、添加剂等材料组成，是一种混合材料组成的非均匀质体，钻孔灌注桩在施工过程中由于各种因素影响往往会出现离析、空洞、夹泥夹砂、断裂、缩颈等问题，而超声波在缺陷位置处传播时，声阻或传播路径都可能发生变化，如产生反射、散射、绕射等现象，结果导致声幅降低、声时变大，而这些特征经仪器采集后，经过计算分析，可根据其特征及畸变程度对缺陷等级做出判断。

1.3 仪器设备的要求

超声波仪是声波透射法检测混凝土质量的最基本装置，我国第一台超声仪诞生于20世纪60年代，由同济大学研发制造，随着我国科学技术的自主创新，研发超声波仪目前已更新到了第四代，逐步向智能化、自动化、无线化、多通道一体化发展，同时彩色CT技术也逐渐走向成熟，该项技术能更直接反映缺陷位置、大小及形态。超声波仪组成有：①计算机部分，②高压发射与控制部分，③程控放大与衰减部分，④A/D转换与采集部分。在规范中如（TB10218-2008）、（JTG/T F81-012004）（JGJ 106-2014）都对超声波仪提出了一些技术要求，主要是对声时显示范围、精度，脉冲信号电压幅值，采集器模数转换精度、采样间距，接收放大器频带，最大采集长度等进行规定，详细可参阅规范。

2.声波透射法的的检测方法及评价标准

2.1 检测方法

2.1.1 声测管布设

声测管材质要有足够的刚度和强度，在浇筑混凝土时变形不易过大，且外壁要与混凝土胶结良好，各声测管之间在成桩后要尽量保持平行，管口宜高于桩顶10cm左右，声测管管口需用堵头进行封堵，防止测试前有异物阻塞管道。实际工程中，运用最多且效果最好的是金属管。声测管埋设根数应根据直径大小确定，当桩径＜100cm时，布设2根；当桩径≥100cm且≤160cm时，布设3根；桩径＞160cm且＜250cm时，布设4根；当桩径≥250cm时，应继续增加声测管的数量。声测管布置示意图见图1。

图1 声测管布置示意图

2.1.2 检测过程

提前在钢筋骨架上绑扎或焊接声测管，声测管管材需满足规范要求，待钻孔结束后，检测成孔质量，质量合格后下放钢筋笼，随即浇筑混凝土，龄期满足要求后即可进行桩身完整性检测。检测前必须注入清水，超声波仪探头在桩内预埋声测管上下自由滑动，方法是把仪器探头沿声测管以合适的速度下放或提升，固定间距采集桩身各个截面的声学参数，然后在PC端利用专业分析软件对声波数据（声速、声幅等）进行处理和分析，确定桩身缺陷位置、范围及大小，最后根据规范要求评定桩身完整性等级，一旦出现Ⅲ、Ⅳ桩，需及时反馈给施工、设计单位进行处理，保证结构安全。

2.2 评判标准

3.声波透射法的应用

现场测试时根据发射换能器和接收换能器高差控制可分为平测、斜测和扇形扫测法，示意图见图2。

图2 测试方法示意图

当平测时某一平测线出现波形畸变，依据规范可判定为缺陷时，需调整发射换能器和接收换能器高差变为斜测，再次对可疑位置进行二次测试，如果在众多斜测线中，只是某条不正常，其余表现一致，基本上可以判断该缺陷为局部缺陷，桩身缺陷位置则在平测异常线和斜测异常线交叉的地方，如图3（a）所示。当在平测线异常位置处的测试的斜测线均异常，但穿越异常平测线的斜测线都正常，则说明桩中心混凝土基本没有问题，缺陷靠近声测管位置，即桩边缘位置，有可能缩颈或者测斜管周围裹泥，如图3（b）所示。当穿越异常平测线的斜测线也均异常，则说明整个断面存在缺陷，有可能该处整个截面夹泥夹砂或骨料胶结不好，存在疏松层，甚至已经断桩，如图3（c）所示。当桩顶或桩底附近存在缺陷时斜测受限，或单纯为减少换能器提拉次数时，可用扇形扫测，如图3（d）所示。

图3 缺陷位置检测示意图

通过声波透射法对钻孔灌注桩进行完整性检测，收集了大量工程实测数据，对存在缺陷的钻孔灌注桩，后续可进行钻孔取芯验证，一般而言经钻孔取芯验证后，与声波透射法检测结果无异。充分验证了声波透射法检测钻孔灌注桩完整性的准确性。现分析归纳几种典型声波透射法波形波列图如图4所示。

图4 典型声波透射法波形波列图

4.结论

1）声波透射法在钻孔灌注桩完整性检测时具有便捷、快速、准确等优点，且该方法不受桩身长度及周围地形影响，检测范围可贯穿钻孔灌注桩整个桩身；

2）通过对钻孔灌注桩完整性检测能够及时发现问题桩，明确缺陷位置、大小及严重程度，预防质量隐患，为施工提供技术保障；

3）随着中国科学技术的快速发展，目前用于声波透射法的仪器更新换代较快，测试精度不断提高，同时该理论越来越成熟，检测工程师的水平也得到显著提高，钻孔灌注桩完整性检测将会得到更多的设备支持和技术支持，为钻孔灌注桩施工质量保驾护航。