方新雷，鄭 光，宋廣峰

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

超聲波在應(yīng)用于灌注樁的完整性檢測(cè)時(shí)受諸多因素的影響，如溫度、氣壓、測(cè)管的大小、測(cè)管形狀以及測(cè)試時(shí)測(cè)管中注入的液體類(lèi)型等等。這些因素影響檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確判斷。在諸多因素中，溫度的影響非常普遍，因?yàn)樗鶛z測(cè)的樁基一般設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)都有幾十米甚至上百米，樁底部處于地下幾十米處，而在地下30m左右的地層處就是地下溫度的恒溫層，即溫度常年不變，接近當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞囟取?0m以下的溫度呈現(xiàn)梯度上升［1］。樁頂處于地面，其溫度隨著當(dāng)?shù)氐臍夂驕囟劝l(fā)生季節(jié)性的變化，低溫可到－10℃以下，高溫可到40℃以上，在應(yīng)用超聲波進(jìn)行樁基的完整性檢測(cè)時(shí)，樁的底部和頂部存在著巨大的溫差，而正是這一巨大的溫差影響了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文以武漢天河機(jī)場(chǎng)高速路第二通道工程為背景，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正后再與原始測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 溫度對(duì)超聲波在混凝土中轉(zhuǎn)播的速度的影響

1.1 混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)

混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性與外部環(huán)境條件等多種因素有關(guān)，聲波傳播特性反映了混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系［2］，根據(jù)彈塑性介質(zhì)中波動(dòng)理論，聲波在混凝土介質(zhì)中傳播波速

式中:E為介質(zhì)的動(dòng)態(tài)彈性模量，ρ為密度，σ為泊松比。不同溫度下，材料中的彈性模量E發(fā)生變化，一般來(lái)說(shuō)，彈性模量隨著溫度的升高而減少。隨著溫度的升高，一般固體介質(zhì)中超聲波的傳播速度降低。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)定超聲波在混凝土中傳播速度與溫度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好C30混凝土試塊若干組，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d。在試塊上裝上超聲波發(fā)射與接收的探頭，將其放在可調(diào)節(jié)溫度的恒溫箱中，探頭與外部示波器相連。溫度從－20℃上升到120℃，溫度每提升10℃采集一次信號(hào)，根據(jù)采集到的時(shí)差信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算出超聲波在不同溫度下的傳播速度［3］，繪制出溫度－超聲波波速的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)（圖1）。

圖1 溫度－聲速的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

式中:v為波速，t為溫度。為了使式（1）更具一般性，可將其表達(dá)為

式中:v0為初始速度（與混凝土齡期、水灰比、標(biāo)號(hào)、以及品種等有關(guān)）。

2 地上地下溫差的修正

由于樁頂一般處于地面或者處于地面以下1～2m處，故樁頂?shù)臏囟冉茷榈孛娴臏囟萾表，而30 m左右的恒溫層溫度近似等于當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞囟萾恒。從地表到地下30m處的恒溫層溫度呈現(xiàn)線(xiàn)性變化；深度和溫度的關(guān)系近似如

式中:t恒為30m處的恒溫層溫度，t表為地表的實(shí)時(shí)溫度，h為對(duì)應(yīng)深度。

在恒溫層以下，地下溫度隨深度增加而升高，其升高的速度常用地溫梯度來(lái)表示。大約埋深每增加33m，地下溫度升高1℃。故深度和溫度的關(guān)系近似如

式中:t恒為30m處的恒溫層溫度，現(xiàn)在不妨將沿樁身方向所測(cè)得的波速修正到恒溫層處（也即t恒時(shí)候）的波速，修正以后，整根樁測(cè)得的波速就是處于同一溫度時(shí)的波速，這樣更加具有可比性和可判斷性。地面至30m恒溫層深度的修正速度可表示如

將式（2）代入式（4）中可得

30m恒溫層以下深度的修正速度可表示如

通常雨水箱涵安裝墻模板的工作需要在符合標(biāo)準(zhǔn)的混凝土強(qiáng)度和完成的底板混凝土澆筑條件下進(jìn)行：①在模板上將適量脫模劑涂刷其上，校正檢驗(yàn)底板側(cè)模使其與標(biāo)準(zhǔn)符合后作為定位模板，這樣可以保證安裝墻模板的順利進(jìn)行；②安裝頂模板過(guò)程中，需要將混合木條、模板及鋼支撐相互結(jié)合，單獨(dú)用木支撐的方式不可取。接下來(lái)使用鋼支撐立桿，為了使支撐更加穩(wěn)固施工人員連接好鋼管并在安裝頂模板后何時(shí)檢查安裝過(guò)程，確保安裝質(zhì)量并為接下來(lái)的工序開(kāi)展打下基礎(chǔ)。

將式（3）代入式（5）中可得

式中:v測(cè)為實(shí)測(cè)聲速，v修1和v修2修正為同一溫度t恒后的速度。

3 工程實(shí)例分析

下面以武漢天河機(jī)場(chǎng)快速路第二通道—南引橋工程中的第NYQ4-2號(hào)灌注樁的檢測(cè)為實(shí)例，進(jìn)行數(shù)據(jù)修正前后對(duì)比。武漢市地處華中地區(qū)，夏季炎熱，冬季寒冷。在夏季高溫時(shí)，室外溫度可達(dá)40℃甚至以上，冬季低溫時(shí)室外溫度低至－5℃，而年平均溫度為17℃，也即地下30m處的恒溫層溫度為17℃。由此可看出地面到地下30m處的溫度差非常之大。

NYQ4-2號(hào)灌注樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)65m，混凝土為C30普通硅酸鹽水泥，樁徑為1.6m的摩擦樁。施工澆筑日期為2013年1月10日，檢測(cè)日期為2013年2月2日上午。其中1－2剖面的測(cè)管距離為890mm，現(xiàn)在對(duì)其1－2剖面所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制成樁深－波速離散圖（圖2）。

圖2 樁深－波速離散圖

對(duì)所測(cè)得的樁深－聲速數(shù)據(jù)用本文中的修正理論進(jìn)行修正，取檢測(cè)時(shí)候的地面溫度為1℃，30m深度處恒溫層的溫度為17℃。經(jīng)修正后得到數(shù)據(jù)繪制成樁深－波速離散圖（圖3）。

圖3 樁深－波速離散

由圖2和圖3可以得出，經(jīng)過(guò)修正后聲速更加穩(wěn)定，并且數(shù)據(jù)的波動(dòng)較小，由此可見(jiàn)修正后的數(shù)據(jù)更加具有可比性，有效地提高了樁身的完整性判斷的準(zhǔn)確性。

通過(guò)以上分析可知:以第NYQ4-2號(hào)樁的檢測(cè)為例，取地下30m處恒溫層的溫度為17℃，地表最高溫度取40℃，最低溫度?。?℃，30m下按溫度梯度每30m溫度升高1℃計(jì)算，修正前的檢測(cè)波速取4 400km/s。

說(shuō)明在30m以下的溫度變化并不是很明顯，由于溫度影響平均每30m產(chǎn)生的絕對(duì)誤差

相對(duì)誤差在地面至地下30m處的溫度變化隨著季節(jié)的變化非常之大。在地面至地下30m處由于溫度影響產(chǎn)生的絕對(duì)誤差

相對(duì)誤差

經(jīng)過(guò)修正后一根60m的灌注樁可以累計(jì)消除因溫度而產(chǎn)生的誤差達(dá)到0.37%，可提高檢測(cè)人員對(duì)灌注樁完整性判斷的準(zhǔn)確性，對(duì)照其他用超聲檢測(cè)樁身完整性的實(shí)例，有相近的效果。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)例分析可以得出以下結(jié)論:

1）檢測(cè)樁基完整性時(shí)，可以采用對(duì)地上地下溫差產(chǎn)生的影響公式進(jìn)行修正。

2）通過(guò)溫差修正，可以提高對(duì)樁檢完整性判斷，解決較大溫差對(duì)樁身完整性的不良影響。

［1］ 劉曉燕，趙 軍，石 成，等.土壤恒溫層溫度及深度研究［J］.北京:太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28（05）:494-497

［2］ 季家林，李慧劍，閆國(guó)亮.溫度對(duì)超聲波在混凝土中傳播速度的影響［J］.上海:建筑材料學(xué)報(bào)，2008，11（03）:349-353

［3］ 孫 鐘，李全育，刁海波，邢樹(shù)宏，楊雙羊.溫度對(duì)超聲波檢測(cè)缺陷定位定量的影響［J］.上海:無(wú)損檢測(cè)，2011，33（04）:26-32

［4］ JTG-TF81-01-2004，公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:浙江省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督站.