林高杰,汪純亮

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷及加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456;2.天津博邁科海洋工程有限公司,天津300457）

由于大直徑灌注樁施工技術(shù)要求高，程序較為復(fù)雜，在施工過(guò)程中很容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，因此對(duì)樁的質(zhì)量檢驗(yàn)就顯得尤為重要。目前對(duì)灌注樁的質(zhì)量檢測(cè)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，樁的承載力和樁身完整性。一般在設(shè)計(jì)無(wú)誤的前提下，如果樁身完整性達(dá)到要求，樁的承載力一般都能達(dá)到要求，而承載力合格的樁，其完整性不一定能滿足要求［1］。因此對(duì)于混凝土灌注樁來(lái)說(shuō)，樁身完整性檢測(cè)就尤為重要。目前常用于灌注樁完整性檢測(cè)的方法主要有聲波透射法、低應(yīng)變法和鉆芯法。

1 概述

當(dāng)檢測(cè)樁樁長(zhǎng)、樁徑較大，或樁周地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，如果采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁身完整性，其結(jié)果的準(zhǔn)確性將大大降低。根據(jù)多年的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，樁長(zhǎng)不宜大于40 m，樁徑不宜大于2 m。

鉆芯取樣法具有直觀和實(shí)用等特點(diǎn)，在大直徑灌注樁檢測(cè)方面應(yīng)用較廣。但由于存在耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，以點(diǎn)代面易造成漏判等缺點(diǎn)，不宜大規(guī)模檢測(cè)。

聲波透射法與以上兩種檢測(cè)方法相比，具有較顯著的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為，不受樁長(zhǎng)、樁徑、場(chǎng)地等條件限制，能夠較大范圍的覆蓋樁身的各個(gè)橫截面，且測(cè)試結(jié)果較準(zhǔn)確，具有其他檢測(cè)方法不可替代的優(yōu)勢(shì)。

2 聲波透射法檢測(cè)的基本原理

聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁主要采用樁內(nèi)跨孔透射法，通過(guò)在樁內(nèi)埋設(shè)兩根或兩根以上的聲測(cè)管，把發(fā)射和接收換能器分別置于兩管道中。聲波由發(fā)射換能器發(fā)射，穿過(guò)管間混凝土后被接收換能器接收，準(zhǔn)確測(cè)定聲波經(jīng)混凝土傳播后各種聲學(xué)參數(shù)的量值及變化，進(jìn)而推斷混凝土的完整性情況。

由于混凝土質(zhì)量的隨機(jī)波動(dòng)不可避免，其質(zhì)量波動(dòng)符合正太分布，那么正常反映混凝土質(zhì)量的指標(biāo)聲速是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。確定隨機(jī)變量臨界值，也就是確定區(qū)分隨機(jī)波動(dòng)與過(guò)失誤差的一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，凡低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的取值就認(rèn)為偏離了正太分布規(guī)律，是異常值。聲速臨界值應(yīng)按下列步驟計(jì)算。

將同一檢測(cè)面各測(cè)點(diǎn)的聲速值vi由大到小依次排序，即

式中：υi為按序列排列后的第i個(gè)聲速測(cè)量值；n為檢測(cè)剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)；k為從零開始逐一去掉vi序列尾部最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

對(duì)從零開始逐一去掉vi序列中最小值后余下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，當(dāng)去掉最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為k時(shí)，對(duì)包括vn-k在內(nèi)的余下數(shù)據(jù)v1～vn-k按下列公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算

式中：v0為異常判斷值；vm為（n-k）個(gè)數(shù)據(jù)的平均值；SX為（n-k）個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；λ為查得的與（n-k）相對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

將vn-k與異常判斷值v0進(jìn)行比較，當(dāng)vn-k≤v0時(shí)，vn-k及其以后的數(shù)據(jù)均為異常，去掉vn-k及其以后的異常數(shù)據(jù)；再用數(shù)據(jù)v1～vn-k并重復(fù)（2）～（4）的計(jì)算步驟，直到vi序列中余下的全部數(shù)據(jù)滿足

此時(shí)，v0為聲速的異常判斷臨界值vc。聲速異常時(shí)的臨界值判據(jù)為

波幅異常時(shí)的臨界值判據(jù)應(yīng)按下列公式計(jì)算

式中：Am為波幅平均值，dB；n為檢測(cè)剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)式（8）成立時(shí)，波幅可判定為異常［2］。

3 混凝土內(nèi)部缺陷對(duì)聲學(xué)參數(shù)的影響

聲波透射法評(píng)價(jià)灌注樁樁身完整性，是通過(guò)測(cè)定聲波經(jīng)過(guò)混凝土后各聲學(xué)參數(shù)的量值得出的，主要的聲學(xué)參數(shù)有波速、波幅、頻率和波形。

聲波在混凝土中的傳播速度是混凝土聲學(xué)檢測(cè)中的一個(gè)主要參數(shù)，混凝土的聲速與混凝土的彈性性質(zhì)有關(guān)，也和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)聲波在傳播路徑上遇到空洞時(shí)，由于混凝土與空氣的特性阻抗相差很大，聲波將沿空洞的邊緣傳播而產(chǎn)生繞射，所測(cè)得的聲時(shí)比正?；炷烈L(zhǎng)，計(jì)算的聲速對(duì)應(yīng)較小。如果在傳播路徑上遇到較為松散的材料，將繞過(guò)缺陷分界面或直接穿過(guò)低聲速材料，測(cè)得的聲速也會(huì)比正常部位小。

波幅是表征聲波穿過(guò)混凝土后能量衰減程度的指標(biāo)之一，它的強(qiáng)弱與混凝土粘塑性有關(guān)，接收波幅值越低，混凝土對(duì)聲波的衰減就越大。在灌注樁聲波透射法檢測(cè)中，一般通過(guò)水進(jìn)行耦合，但要注意徑向換能器處于居中位置，如果聲測(cè)管與換能器相差較大，需要安裝定位器，確保幅值的影響較小。

接收波主頻率實(shí)質(zhì)是介質(zhì)衰減作用的一個(gè)表征量，聲脈沖穿過(guò)混凝土后，各頻率成分的衰減程度不同，高頻率部分與低頻率部分相比，衰減較嚴(yán)重。當(dāng)混凝土中存在缺陷時(shí)，衰減也較為嚴(yán)重，接收波的主頻率明顯偏低。

聲脈沖經(jīng)過(guò)混凝土缺陷界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射，許多同相位或不同相位波束的疊加，將導(dǎo)致波形發(fā)生畸變，因此可根據(jù)波形畸變程度判斷混凝土的缺陷程度。

4 聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)的判斷分析

在聲波透射法完整性過(guò)程中，如何利用采集到的聲學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樁身混凝土缺陷，評(píng)價(jià)樁身混凝土質(zhì)量，從而判定樁的完整性類別是我們檢測(cè)的最終目的，同時(shí)也是聲學(xué)檢測(cè)中的一個(gè)難題。相對(duì)于其他判據(jù)來(lái)說(shuō)，聲速的測(cè)值是最穩(wěn)定的，可靠性也最高，而且測(cè)值有明確的物理意義，與混凝土強(qiáng)度有一定的相關(guān)性，是進(jìn)行綜合判定的主要參數(shù)。波幅測(cè)試值是一個(gè)相對(duì)比較量，本身沒(méi)有明確的物理意義，其測(cè)試值受到許多非缺陷因素的影響，測(cè)值沒(méi)有聲速穩(wěn)定，但它對(duì)混凝土缺陷很敏感，是進(jìn)行綜合判定的另一重要參數(shù)［3］。

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，要將各種判據(jù)區(qū)別對(duì)待，采用以聲速和波幅判據(jù)為主、頻率和波形判據(jù)為輔的綜合判定法，對(duì)全面反映混凝土的質(zhì)量是較科學(xué)的處理方法。

5 混凝土齡期對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響

規(guī)范規(guī)定，當(dāng)采用聲波透射法檢測(cè)時(shí)，受檢樁混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不小于15 MPa［2］。大量的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短就進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)樁頂3 m左右范圍內(nèi)出現(xiàn)波速偏低，波幅偏小的現(xiàn)象。建議在樁身混凝土養(yǎng)護(hù)齡期14 d以上進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)，寒冷季節(jié)應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期。對(duì)于添加了粉煤灰或減水劑的混凝土，建議至少達(dá)到21 d的齡期才能進(jìn)行檢測(cè)［4］，以便采集到可靠的便于分析的檢測(cè)數(shù)據(jù)?；蚪Y(jié)合實(shí)際的資料或經(jīng)驗(yàn)確定合適的檢測(cè)齡期。

6 聲測(cè)管的選擇與埋設(shè)

聲測(cè)管的安裝是保證現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的關(guān)鍵，也是決定數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前常用的聲測(cè)管有鋼管、鋼質(zhì)波紋管和塑料管3種，對(duì)于超長(zhǎng)、大直徑灌注樁工程宜選用鋼管，因?yàn)槌L(zhǎng)、大直徑樁需灌注大量混凝土，水泥的水化熱不易發(fā)散。鑒于塑料的熱膨脹系數(shù)與混凝土相差懸殊，混凝土凝結(jié)后塑料管因溫度下降而產(chǎn)生徑向和縱向收縮，有可能使之與混凝土局部脫開造成空氣或水的夾縫，在聲束路徑上又增加更多反射強(qiáng)烈的界面，容易造成誤判［5］。聲測(cè)管內(nèi)徑宜為50～60 mm，直徑小于800 mm的樁宜埋設(shè)2根聲測(cè)管，直徑800～2 000 mm的樁宜埋設(shè)3根聲測(cè)管，直徑大于2 000 mm宜埋設(shè)4根聲測(cè)管。

聲測(cè)管固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè)，一般采用焊接或綁扎的方式，在混凝土灌注之前，隨鋼筋籠一起放入樁孔中，聲測(cè)管底部應(yīng)密封并一直埋到孔底。如果不是通長(zhǎng)配筋，應(yīng)確保聲測(cè)管的平行度。安裝完畢后，聲測(cè)管的上端也應(yīng)封口或用其他方式保護(hù)，以免落入異物，阻塞管道。聲測(cè)管中的渾濁水將明顯甚至嚴(yán)重加大聲波衰減和延長(zhǎng)傳播時(shí)間，給聲波檢測(cè)帶來(lái)誤差，因此檢測(cè)前應(yīng)沖洗檢測(cè)管并灌滿清水做耦合劑。

7 聲波透射法在大直徑灌注樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用分析

福建省某工程一大直徑灌注樁，樁徑為2.2 m，樁長(zhǎng)為53.4 m，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁身埋設(shè)4根聲測(cè)管。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，6個(gè)檢測(cè)剖面中，4個(gè)剖面在設(shè)計(jì)樁頂以下9.4～10.4 m處，混凝土聲速、波幅低于臨界值異常，聲速低于低限值異常。其余2個(gè)剖面的聲學(xué)參數(shù)均無(wú)異常。按照樁身完整性判定的相關(guān)規(guī)定，判定該樁樁身完整性為Ⅲ類。

為準(zhǔn)確判斷該樁的樁身完整性，查明問(wèn)題原因，經(jīng)業(yè)主和設(shè)計(jì)同意，對(duì)該樁進(jìn)行了鉆芯法驗(yàn)證檢測(cè)，選取了3個(gè)位置進(jìn)行鉆孔取樣。鉆芯檢測(cè)結(jié)果顯示，1號(hào)孔9.24～9.89 m處混凝土芯樣松散，含泥且無(wú)法取樣，長(zhǎng)度約為0.55 m；2號(hào)孔9.69～10.29 m處混凝土芯樣松散，含泥且無(wú)法取樣，長(zhǎng)度約為0.60 m；3號(hào)孔9.67～9.97 m處混凝土芯樣多為砂漿體，表觀較差，長(zhǎng)度約為0.30 m。鉆芯檢測(cè)結(jié)果與聲波透射法檢測(cè)結(jié)果吻合。

針對(duì)該樁出現(xiàn)的問(wèn)題，甲方單位非常重視，組織多方對(duì)施工工序流程進(jìn)行剖析和討論，積極配合檢測(cè)單位對(duì)各種工藝施工的灌注樁進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，經(jīng)過(guò)各方的共同努力，后續(xù)施工的大直徑灌注樁樁身完整性基本為I類，確保了工程質(zhì)量，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。

聲波透射法是大直徑混凝土灌注樁完整性無(wú)損檢測(cè)的一種主要方法，具有較高的準(zhǔn)確度和分辨率，不受樁長(zhǎng)、樁徑尺寸限制等優(yōu)點(diǎn)［6］，為灌注樁質(zhì)量的檢測(cè)分析提供了可靠的依據(jù)，但由于聲波自身的原因，如果僅采用該方法非常準(zhǔn)確的判斷缺陷的性質(zhì)是較為困難的，可結(jié)合鉆芯法將其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得出更符合實(shí)際情況的分類［2］。

8 結(jié)語(yǔ)

聲波透射法檢測(cè)結(jié)果的判定需要綜合考慮多方面因素，包括檢測(cè)儀器自身的誤差，聲測(cè)管傾斜，檢測(cè)人員的水平等。因此對(duì)樁身出現(xiàn)的嚴(yán)重缺陷，需要采用其他檢測(cè)手段進(jìn)行輔助檢測(cè)，并對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致樁身缺陷的原因，為檢測(cè)結(jié)果的分析提供可靠的依據(jù)。

鉆芯法檢測(cè)是驗(yàn)證聲波透射法檢測(cè)結(jié)果的一種有效手段，不受場(chǎng)地的限制，特別適用于大直徑混凝土灌注樁。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用聲波透射法進(jìn)行樁身完整性評(píng)價(jià)，并結(jié)合鉆芯法進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)改進(jìn)施工質(zhì)量，確保工程質(zhì)量，是十分有效的辦法。

［1］黃太金.超聲波透射法在灌注樁完整性檢測(cè)中應(yīng)用［J］.四川建材,2011,37（4）：81.HUANG T J.Application of Ultrasonic Transmission Method in Detection of Grouting Pile［J］.Sichuan Building Materials,2011,37（4）：81.

［2］JGJ106-2003,建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

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