声波透射法在大直径灌注桩桩身完整性检测中的应用

惠世瑀

（国投工程检验检测有限公司，云南 昆明 650214）

0 引言

基础桩是承担建筑物荷载并传递到地基的重要结构，其完整性直接关系到工程的安全和质量。大直径钻孔灌注桩是一种常用的基础桩，具有承载力高、沉降小、施工快等优点。但由于施工过程中可能出现的脱模、排气不畅、混凝土密实度不足等原因，桩身可能存在裂缝、夹泥夹砂、空洞等缺陷，影响桩身的完整性和承载力。因此，对大直径钻孔灌注桩进行桩身完整性检测，是保证工程质量和安全的重要措施。目前，常用的桩身完整性检测方法主要有低应变反射波法、超声波透射法和钻孔取芯法等。这些方法各有所长，也有所短，本文结合工程实例，仅对声波透射法在大直径灌注桩桩身完整性检测中的应用进行分析。

1 声波透射法检测原理

声波透射法是一种利用声波在桩身内部传播的特性，来检测桩身完整性的方法。声波透射法的基本原理是：由超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接受系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特征。超声波是弹性波的一种，传播的规律服从弹性波规律。根据弹性波动方程可推导出混凝土介质中纵波VP、VS的传播速度：

式中：

E——杨氏模量，Pa;

µ——泊松比；

ρ——介质密度,kg∕m3。

根据上述公式可以看出超声波在不同介质里的传播速度是不一样的。当超声波穿过桩身后，分析并计算出波速，根据波速的变化就可以了解桩身完整性的大致情况。如桩身没有缺陷，波在桩身内的传播速度应该是恒定的，与理论计算值相符；如果桩身有缺陷，那么波在桩身内的传播速度就会发生变化，与理论计算值不符。超声波穿过裂缝时，声波能量会衰减，导致波速减小；超声波穿过夹泥夹砂时，由于密度差异很大，声波能量也会衰减，导致波速减小；超声波穿过空洞时，就会发生散射、反射现象，导致波幅减小，波形产生畸变。因此，通过对波速变化或波形变化分析，就可以对桩身完整性作出相应的判断[1]。根据此类异常的大小、形态，结合工程地质条件就能综合判断混凝土中缺陷的性质、位置、范围大小及严重程度，提出相应处理措施。

2 声波透射法现场检测

超声波透射法现场检测需在桩内埋设声测管（见图1所示），超声波仪主要包括声波发射换能器、声波接收换能器、采集仪及计算机。通过采集仪、计算机，采集并观测声波信号的时域、频域特征。根据不同的观测系统，可以采用平测法、斜测法、扇形扫测等方式，以判断桩身是否有缺陷[2]。

图1 声测管埋设及波形示意图

2.1 声测管埋设

通过焊接或绑扎方式将声测管固定在钢筋笼内侧，固定点间距一般不超过2m。保证声测管的平行性、密封性，声测管连接处应光滑过渡，上下口用堵头密封，确保管内无异物，管身无破损。将声测管、钢筋笼一同下放到桩孔中，声测管底部应与钢筋笼底部保持齐平，声测管口应高出桩顶100mm以上，且各声测管口高度需一致。2.5m大直径灌注桩一般需在桩内预埋至少4根声测管，材质为无缝钢管，外径6cm，壁厚3.5mm，位于钢筋笼内侧，呈正方形对称分布，保持平行。每根声测管由多段钢管组成，用外套管连接，确保管内无堵塞。连接处应处理成光滑面，避免声波反射、衍射。声测管下端应密封，防止混凝土进入；上端加塞子，防止水或杂物进入，管内注满清水，作为声波在桩身内传播的耦合剂[3]。

2.2 换能器安装

换能器为径向柱状，长20cm，频率范围25～50kHz，带宽范围5～50kHz。在各测点需将发射换能器、接收换能器置于声测管中，且保持在同一水平面上，以保证声波传播方向[4]。各测点高程误差不应超过2cm，测点间距为10cm。检测过程中应随时校正换能器水平位置，避免检测偏差过大。

2.3 检测操作流程

（1）检测前，应先检查仪器、电缆、发射器和接收器等设备是否完好无损，是否正常工作；

（2）将电缆分别连接到发射器和接收器上，并将电缆另一端连接到仪器上；

（3）将发射器和接收器通过深度标志分别置于对应声测管中的测点处；

（4）调整仪器的参数，如发射频率、接收范围、增益、滤波等；

（5）启动仪器，按下发射按钮，发出声波信号，并观察信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值；

（6）如果波形清晰可见，且没有明显异常，则可以将换能器以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距不大于100mm，同时记录并保存所有数据；如波形有明显异常，则调整仪器参数或发射器和接收器位置，重新发射信号，并重复上述步骤；

（7）将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测；

（8）在质量可疑的测点周围，应采用加密测点，或采用斜测、扇形扫测进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围；

（9）在同一检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数保持不变；

（10）收拾设备，清理现场。

3 声波透射法现场检测实例分析

3.1 工程概况

某桥梁为高速公路工程重要节点，跨越河流，桥长约500m，桥宽约30m。桥梁采用连续刚构结构，共有5个桥墩，每个桥墩由4根大直径灌注桩支撑，其大直径灌注桩桩径2.5m，桩长62m，桩材料为C30混凝土。为保证桩身的质量及安全性，采用声波透射法检测灌注桩桩身完整性，以判断桩身是否存在缺陷，并定位缺陷位置和大小。

3.2 检测过程

（1）在桩身成型，满足检测临期后，将声测管内注满清水，作为声波在桩身内传播的耦合剂，同时防止杂物进入声测管。

（2）检测前先检查仪器、电缆、发射器和接收器等设备是否完好无损，是否正常工作，将电缆一端连接到声波发射器、接收器上，电缆另一端连接到仪器上，将声波发射器、接收器通过深度标志分别置于对应声测管中的测点处。

（3）调整仪器参数，如发射频率、接收范围、增益、滤波等；该工程采用的发射频率为20kHz，接收范围为0～100ms，增益为60dB，滤波为低通滤波。

（4）启动仪器，按下发射按钮，发出声波信号，并观察信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值。

（5）如波形清晰可见且无明显异常，则可以将换能器以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距不大于100mm，同时记录并保存所有数据，如波形有明显异常，则调整仪器参数或发射器、接收器位置，重新发射信号，重复上述步骤。

（6）将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测。

（7）数据分析。

3.3 检测结果及分析

在采用声波透射法对该大直径灌注桩进行检测时，记录了每个检测点的声波信号波形，见图2所示。为分析桩身完整性的情况，对每个测点的声波信号进行时域、频域处理，时域处理主要是计算声波信号的到达时间和幅值，并根据公式v=L∕t得到声速；频域处理主要是计算声波信号的功率谱密度（PSD），并绘制PSD曲线，将每个检测点的声速、声幅和PSD曲线绘制在同一张图中[5]。当检测点的声速、声幅或PSD低于临界值时，说明该处可能存在缺陷。通过对比各剖面同一处的检测结果可以判断出桩身是否有缺陷，并定位缺陷位置、大小[6]。

图2 声波透射法检测结果

从图2可知，各剖面同一处的声速、声幅都显著低于临界值，PSD曲线突变明显，据此可断定自桩顶向下5.7～6.9m范围的桩身完整性存在缺陷。根据施工单位反馈，该大直径灌注桩浇筑时，因工程器械运行故障，浇筑至距离桩顶约5m时被迫中断2.5h，造成桩下部混凝土凝固，不能翻浆。

根据钻孔取芯验证芯样结果为5.6～6.4m，芯样粗骨料含量低，容易磨损，表面粗糙。开挖后观察到，桩身内部有大量夹泥，桩周有很多泥沙渗入混凝土中。这些现象与声波透射法的结果一致，说明声波透射法能较好地反映桩身的缺陷信息。

4 结束语

综上所述，声波透射法是利用波在不同介质中的传播速度不同来判断桩身是否有缺陷的一种检测方法，需要在桩内埋设声测管，放入换能器，通过采集仪、计算机采集观测声波信号的时域、频域特征，以判断桩身是否有缺陷。桩身裂缝、夹泥夹砂和空洞等缺陷，会导致声波信号的到达时间延迟、幅值衰减、波形畸变等现象。通过分析波速变化、波形变化可对桩身完整性进行评价。如发现异常需结合工程实际情况分析缺陷的性质、位置、范围，提出相应的处理措施。总之，在本次大直径灌注桩桩身完整性检测中的实践证明，声波透射法是一种检测基桩完整性的有效方法，值得在工程中深入应用，以保证工程质量。