塑钢复合管的声波透射性能试验研究

杨大顺 （1.安徽建工检测科技集团有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 引言

在桩基检测的声波透射法检测中，工程上一般采用钢管作为传统的声波管，而钢管壁厚没有统一规定，实际使用中厚薄均有，《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）中关于声测管的要求也仅仅是“有足够的径向刚度”“若采用钢管、镀锌管等管材，则不宜采用PVC管”等简单的描述。实际使用中通常使用普通脚手架钢管，虽然有的项目采用穿预应力钢绞线的波纹管，但是此类管材造价较高，一些工程会使用壁厚较薄的非标钢管。此举虽然可以降低造价，但同时也会因钢管刚度不够引起钢管变形，进而导致声测探头无法穿过变形处，从而检测失败。甚至会出现探头下放时能勉强通过管材变形处，但是上升过程中却无法取出探头的检测事故。

基于壁厚较厚的钢管成本高，而壁厚较薄的钢管易变形，本文选取了塑钢复合管与同壁厚的普通钢管，分别在混凝土灌注桩中和自然水体中进行比对试验，以验证塑钢复合管在工程应用中的可行性和声学比对特点。

1 所用管材

本次灌注桩中测试和自然水体中的声测管测试，所用的塑钢复合管为外层PEG+内层钢管，所用的钢管即为普通钢管，详细测量参数见表1。

2 测试仪器

本次测试采用某公司生产的MC-6360 基桩多跨孔超声波自动循测仪，检测系统声时测读精度为±0.1us，声幅准确度相对误差≤3%。

3 测试原理

声波透射法的原理是由超声脉冲发射源在被测材料内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在材料内传播过程中表现的波动特性。当被测材料内的材料特性发生变化时（存在不连续、破损界面或特别密实体，界面形成波阻抗界面），即会产生波的透射和反射，使接收到的透射波能量发生变化；当被测材料内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射，致使波传播的时间变长、波幅变小；当被测材料内存在优于原材料的传声物体时，波速将会变快，波的传播的时间将会缩短，波幅变大。

测试过程中，两个探头之间的被测材料内，需设置声测管作为探头的通道（混凝土中管材作为保留探测通道的模板），声测管内以水作为耦合介质，超声脉冲信号从一个探头中发射出去，穿过探头之间的各种材料介质，在另一个探头中接收信号。假设由探头A、探头B进行测试，则声波信号传播的路径为探头A 发射→探头A 和管材内壁间水的传播→管材内传播（管壁）→被测材料内传播→管材内传播（管壁）→管材内壁和探头B 间水的传播→探头B 接收。声波信号所传播的路程为S1+S2+S3+S4+S5，其中S1、S5 表示管材内壁和探头间距，S2、S4 表示管壁的壁厚，S3 表示被测材料的距离（声测管的外壁间净距）。测试系统示意图见图4。

图1 现场声测管桩内安装效果（4根塑钢复合管和4根普通钢管）

图2 4根声测管（上部2根塑钢复合管，下部2根普通钢管）

图3 塑钢复合管和普通钢管的截面

图4 声波透射法测试示意图

在基桩中测试时，需在施工前根据需求来埋设预定数量的声测管作为探头的通道。每两根测试的声测管为一组，通过水的耦合，超声脉冲信号从一根声测管中的探头中发射出去，在另一根声测管中的探头接收信号，超声仪测定有关参数并采集、存储。探头由桩底同步往上提升，测试遍及整个截面。测试系统框图见图5。

图5 桩内声波透射法测试系统示意

以上基本原理为只存在两个探头的情况，则会产生一个剖面AB的测试信号，当桩基直径较大，则会使用A、B、C三个或者A、B、C、D四个探头同时进行测试。当A、B、C 三个探头同时测试时，会有AB、AC、BC三个剖面的测试信号；当A、B、C、D 四个探头同时测试时，会有AB、AC、AD、BC、BD、CD六个剖面的测试信号。

4 测试实施细则

4.1 灌注桩中测试

本次测试的基桩，选择实际工程应用的高架桥混凝土灌注桩，桩身混凝土强度等级为C30，施工桩长为23.5m，桩身直径为1500mm，通过安装于桩身内的8 根声测管（4 根塑钢复合管和4 根普通钢管）进行测试。声测管的埋设示意见图6，其中A、B、C、D 编号属塑钢复合管，1、2、3、4 编号属普通钢管。通过现场量测，各声测管外壁间净距如表2。

图6 桩内声测管埋设示意

图7 灌注桩中现场测试照片

表2 声测管的外壁间净距

现场使用同一台测试仪器，分两次进行测试，先后采集不同管材的声波信号。测试过程中4 个探头下放到桩底，核对所有探头的高度在同一水平面上后，记录测试深度，由桩底同步向上提升，测试全部桩身截面。分别采集塑钢复合管的声测信号和普通钢管的声测信号，现场在测试仪器上初步对信号进行比对，以验证信号的可使用性和多次信号之间的高度重复性，然后将测试仪器内的信号导出至电脑的分析软件中。

室内下载测试信号后做详细比对，通过测试曲线的比较（测试结果见表3），两种材质的管材所测得的声波信号均可以清晰地反映桩身的声学参数，波形均没有明显畸变，两种情况下波速、波幅比较一致，声速相互有高低但最大相差也不超过5%。塑钢复合管的6 个剖面声速平均值为4.034km/s，普通钢管的6 个剖面声速平均值为4.020km/s，平均值的相差仅为3%；而塑钢复合管的6 个剖面声幅平均值为112.69dB，普通钢管的6 个剖面声幅平均值为112.12dB，此项平均值的相差更小，仅为0.5%。

表3 桩中测试结果表

图8 不同管材固定到框架上、安装声波探头

因混凝土材料局部的不均一性，虽然试验证明两种材质的管材均可以适用工程应用，在测试中的材料差异产生的影响占比较小，声学参数整体而言差异性很小，因而不太能体现出整体上的应用差别，但两种材质的管材均满足一般使用要求，为未来大规模使用在经济上的对比性奠定了基础。

4.2 水中测试

本次测试的环境，选择一处自然水体，通过事先制作的木制框架（框架尺寸为1.6m×0.6m），将两种管材分别固定到框架上，探头放置在管材的中间部位后，再将框架整体置入水中1m 深（探头深度为0.5m）进行测试，采集不同管材在固定间距情况下的声学参数，分别进行1000mm 和600mm 间距的测试并进行比对，结果如表4所示。

表4 水中测试结果表

图9 框架整体入水测试状态照片

通过比较，两种材质的管材所获得的波形均没有明显畸变。其中声时和平均速度基本一致，但由于塑料材质的声阻抗较低，其声阻抗介于混凝土和水之间，具有较大的透声率，致使波幅提高3%～7%。

5 结论

通过在混凝土灌注桩中的比对测试，塑钢复合管能够满足一般混凝土中的声测应用，测试所得结果与使用普通钢管一致，测试波形以及声学参数均没有明显畸变；通过在水体中的比对测试，塑钢复合管的声学参数优于普通钢管，塑料材质的声阻抗较低，其声阻抗介于混凝土和水之间，具有较大的透声率，致使波幅有3%～7%的提高。

6 结束语

针对塑钢复合管在灌注桩中的应用，尤其是大型灌注桩中的使用，应增加经验的积累。因为大直径桩需灌注大量混凝土，水泥的水化热不宜发散，鉴于塑料的热膨胀系数与混凝土以及钢材之间有差异、刚度与钢材不同、与混凝土的握裹力不详等原因，混凝土凝结后塑料管因温度下降可能产生径向和纵向收缩，使其可能与混凝土、钢材之间局部脱开而造成空气或水的夹缝，在声测路径上增加了反射、散射的界面，对检测不利。此理论上的可能性，尚需要今后更多工程实践经验以验证塑钢复合管的安装性能。