張繼華，孫華圣，陳家瑞，盧 濤，沙劉存，李秉蔚

(淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

聲波透射法檢測(cè)樁基完整性原理及工程應(yīng)用

張繼華，孫華圣，陳家瑞，盧 濤，沙劉存，李秉蔚

(淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

樁基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，其完整性的好壞關(guān)系著整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全。樁基完整性檢測(cè)方法有多種，而聲波透射法不失為一種簡(jiǎn)易、安全、高效及經(jīng)濟(jì)的無(wú)損檢測(cè)手段。本文以某工程鉆孔灌注樁為背景，在全面分析聲波投射法檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，采用了斜率法(PSD法)、密集測(cè)量及聲影重疊相結(jié)合的方法對(duì)其完整性的位置和大小進(jìn)行了判別，提高了檢測(cè)精度，為下一步工程的安全施工提供了可靠保障。

樁基檢測(cè)；聲波透射法；完整性；混凝土

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)如雨后春筍一般拔地而起，而樁基作為其中的一種基礎(chǔ)形式以及其特有的優(yōu)越性，被廣泛地應(yīng)用于橋梁工程、高層建筑及路基工程之中[1-4]。樁基地處整個(gè)建筑構(gòu)造的最底層，屬于隱蔽工程，而其繁多的施工程序、復(fù)雜的工藝流程，再加之地質(zhì)條件、施工人員和機(jī)械操作等條件的影響，很容易產(chǎn)生斷樁、裂縫、孔洞、蜂窩、離析、夾泥等各種形態(tài)的缺陷，如圖1所示，從而導(dǎo)致樁基完整性和承載力的降低。如果任由此類缺陷存在和發(fā)展，日后必為整個(gè)工程帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至造成人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。樁基完整性檢測(cè)就是為了發(fā)現(xiàn)這些缺陷的存在，并及時(shí)采取處理措施和補(bǔ)救方法，最大程度地降低安全隱患。目前，樁基完整性檢測(cè)方法主要包括[5]：鉆芯法、聲波透射法、低應(yīng)變法。而聲波透射法以其操作簡(jiǎn)易、安全可靠、檢測(cè)全面、高效快捷及經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于樁基完整性檢測(cè)領(lǐng)域。鑒于此，本文以濟(jì)寧市某工鉆孔灌注樁為背景，采用相敏檢測(cè)(PSD)、密集測(cè)量及聲影重疊等相結(jié)合的方法對(duì)其完整性進(jìn)行了檢測(cè)，為下一步工作開(kāi)展提供了安全保障和科學(xué)依據(jù)。

1，2，3裂縫 4孔洞；5蜂窩；6層狀破壞

1 檢測(cè)原理

超聲波傳播波速和波形會(huì)因混凝土強(qiáng)度的不同而發(fā)生變化。若混凝土的整體完整性好，內(nèi)質(zhì)均勻，超聲波的波速就會(huì)正常，波形完整，而不會(huì)明顯畸變；若混凝土內(nèi)部存在蜂窩、孔洞、空隙或裂縫等缺陷時(shí)，超聲波的波速會(huì)低于正常值，而波形就會(huì)產(chǎn)生畸變或缺失。聲波透射法檢測(cè)灌注樁的原理就是基于以上理論。聲波投射檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，檢測(cè)時(shí)，分別將發(fā)射探頭和接收探頭放置聲測(cè)管中，發(fā)射探頭發(fā)出超聲波經(jīng)過(guò)混凝土傳播至接收探頭，實(shí)時(shí)接收的波形里面包含樁基混凝土信息(混凝土密實(shí)度參數(shù))。通過(guò)記錄不同側(cè)面、不同高度上的超聲波動(dòng)特征，經(jīng)過(guò)處理分析就能判別樁基測(cè)區(qū)混凝土內(nèi)部缺陷的位置、空間大小及性質(zhì)。

圖2 聲波投射樁基檢測(cè)系統(tǒng)

采用聲波透射儀檢測(cè)樁基混凝土內(nèi)部缺陷，其判別依據(jù)主要包含四點(diǎn)[6-10]：

(1)當(dāng)混凝土內(nèi)部存在缺陷時(shí)，超聲波的聲時(shí)和聲速會(huì)發(fā)生變化，一般測(cè)得缺陷部位的聲時(shí)要比正常部位大，而聲速則比正常部位小，則根據(jù)聲時(shí)和聲速的變化情況可以判斷出缺陷的范圍和位置；

(2)混凝土內(nèi)部缺陷可使超聲波在缺陷界面發(fā)生散射，導(dǎo)致接收探頭接收的能量顯著衰減，因此能量衰減的程度可以用來(lái)判斷缺陷是否存在及其大??；

(3)混凝土內(nèi)部缺陷可導(dǎo)致接收的超聲波頻率發(fā)生變化，因此可以通過(guò)收到的波頻譜與反射波頻譜之間的差異來(lái)判斷樁基存在的缺陷；

(4)混凝土內(nèi)部缺陷可導(dǎo)致超聲波波形發(fā)生轉(zhuǎn)換和疊加，接收到的波形會(huì)發(fā)生畸變，可以根據(jù)波形畸變現(xiàn)象判別缺陷的位置和大小。

2 檢測(cè)判據(jù)

2.1 聲速判據(jù)

混凝土是按一定的比例由膠凝材料和骨料混合攪拌而成，從而決定了其內(nèi)部成分組合的隨機(jī)性。當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)混凝土內(nèi)部時(shí)，所測(cè)聲速值將服從正態(tài)分布。若某處不具備正態(tài)分布特征，則可判定該位置存在缺陷的可能性很大，即聲速異常處為缺陷位置。

單根樁的聲速的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

(1)

(2)

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)，查表1中1/n對(duì)應(yīng)的ki值，利用下式即可求出臨界值：

XL=mx-kiSx

(3)

通過(guò)剔除小于的值再將剩余的數(shù)據(jù)重新計(jì)算平均值m'x和標(biāo)準(zhǔn)差s'x，求得新臨界值X'L。不斷重復(fù)以上計(jì)算過(guò)程，直到剩余數(shù)據(jù)均大于XL。而這些被剔除的數(shù)值即為異常數(shù)據(jù)，并對(duì)應(yīng)缺陷所處位置。為了避免標(biāo)準(zhǔn)差過(guò)大、臨界值偏低、臨界值離散大等不合理情況出現(xiàn)，還應(yīng)選用兩邊剔除法，即小、大交替剔值法、先小后大剔值法、先大后小剔值法[11]。

2.2 波幅判據(jù)

聲波透射儀接收到的首播波幅是判別樁基混凝土缺陷的關(guān)鍵參數(shù)，其值反映樁基混凝土缺陷比聲速還明顯，但其受儀器、測(cè)距和耦合狀態(tài)影響較大，導(dǎo)致所測(cè)值穩(wěn)定性較差。按照樁基檢測(cè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)某點(diǎn)波幅的實(shí)測(cè)值小于臨界值時(shí)，可看作波幅的異常點(diǎn)[12]，其值可由下式確定：

(4)

Api

(5)

式中：Am為超聲波波幅的平均值，單位是dB；n為檢測(cè)的點(diǎn)數(shù)。

表1 統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)與對(duì)應(yīng)得值

2.3 主頻判據(jù)

聲波透射儀接收的主頻漂移程度，即聲波的衰減程度，能夠體現(xiàn)出樁基混凝土的完整性。聲波的主頻漂移越大，相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)混凝土完整性就越差，但其與聲速一樣，受影響的因素居多，對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷反應(yīng)不敏感，很少單獨(dú)應(yīng)用于實(shí)際。在檢測(cè)規(guī)范中，只將聲波的主頻值作為樁身缺陷判別的輔助值。

2.4PSD判據(jù)

PSD判據(jù)是根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)繪制“聲時(shí)—深度”曲線，并以曲線上相鄰兩測(cè)點(diǎn)的斜率與兩測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的聲時(shí)差的乘積來(lái)判斷樁基的完整性，偏離兩者乘積的測(cè)點(diǎn)視為可疑缺陷點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合波幅等聲波參數(shù)變化情況，來(lái)綜合進(jìn)行異常點(diǎn)分析和判定。

檢測(cè)深度相鄰兩測(cè)點(diǎn)的斜率為：

(6)

PSD法判據(jù)：

(7)

式中：ti為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)，μs；ti-1為第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)，μs；Zi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度，m；Zi-1為第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度，m。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

該工程位于濟(jì)寧市高新區(qū)楊井社區(qū)，樁基采用混凝土進(jìn)行灌注，混凝土強(qiáng)度為C30，工程共灌注421根樁，樁徑為1000mm，樁長(zhǎng)28m。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，該工程地層情況如圖3所示。

圖3 測(cè)區(qū)綜合地層圖

3.2 測(cè)管布置

樁基完整性檢測(cè)采用NM-8D多通道聲波透射法自動(dòng)測(cè)樁儀，如圖4所示，為了提高準(zhǔn)確性，在施工時(shí)預(yù)埋3根聲測(cè)管，有3個(gè)測(cè)試面，檢測(cè)樁的數(shù)量為56根。聲測(cè)管采用50#無(wú)縫鋼管，用點(diǎn)焊的方式預(yù)先固定在每段鋼筋籠架立鋼筋的內(nèi)側(cè)，并要保證聲測(cè)管埋到樁底。另外，聲測(cè)管底部應(yīng)采用鐵皮焊死，并保證上端管口高出樁頂30～50cm[13]。假若聲測(cè)管密封不嚴(yán)實(shí)，聲測(cè)管就會(huì)因下放過(guò)程中泥漿的涌入或澆注時(shí)的水泥漿涌入造成阻塞，從而影響檢測(cè)工作的進(jìn)行。采用聲波透射儀檢測(cè)前，應(yīng)用清水沖洗聲測(cè)管，以防傳感器在升降過(guò)程中受到阻礙。

圖4 NM-8D多通道聲波透射法自動(dòng)測(cè)樁儀

3.3 檢測(cè)結(jié)果

為了提高檢測(cè)結(jié)果的精度，樁基檢測(cè)采用了斜率法(PSD法)、密集測(cè)量及聲影重疊相結(jié)合的方法對(duì)其完整性的位置和大小進(jìn)行了判別。根據(jù)聲波投射法檢測(cè)判據(jù)，將樁基的完整性分為四個(gè)類別，其具體聲學(xué)參數(shù)特征見(jiàn)表2。由于樁基檢測(cè)數(shù)量和測(cè)試面較多，本文以15號(hào)樁基為例，其3個(gè)檢測(cè)面的聲學(xué)參數(shù)變化情況如圖5 所示。

圖5 樁基檢測(cè)聲學(xué)參數(shù)變化情況圖

表2 樁基完整性檢測(cè)類別劃分表[14]

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以看出：

(1)15號(hào)樁基3個(gè)檢測(cè)剖面各測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)離散性不大，利用概率法統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行聲速臨界值計(jì)算，所得結(jié)果無(wú)異常點(diǎn)出現(xiàn)。

(2)3個(gè)檢測(cè)剖面的聲速平均值在3.85～3.90km/s之間，聲速最小值為3.52km/s，在正常值范圍內(nèi)。

(3)通過(guò)觀察波形圖，首波波形比較陡峭，而后續(xù)波波幅變化較大。

(4)聲波透射儀接收到的波形主頻38～40kHz(45 kHz)，主頻未發(fā)生較大的漂移量，且該漂移量較穩(wěn)定。

綜合以上聲學(xué)參數(shù)特征，判定15號(hào)樁完整性等級(jí)定為I類。另外，通過(guò)綜合分析其他55根樁的聲速、主頻、波幅和PSD值等各項(xiàng)指標(biāo)，所檢測(cè)結(jié)果均為Ⅰ類樁，為下一步工程的安全施工提供了可靠保障。

4 結(jié)語(yǔ)

聲波透射法檢測(cè)樁基的完整性具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但由于工程實(shí)際眾多的影響因素，單獨(dú)地使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法或PSD法探尋樁基的缺陷局限性較大，尤其是聲測(cè)管傾斜的情況，很容易導(dǎo)致缺陷的誤判。而采用多方法多手段相結(jié)合的方法，則能在很大程度上提高檢測(cè)結(jié)果的精度。在檢測(cè)過(guò)程，對(duì)存在嚴(yán)重缺陷的樁基不能掉以輕心，必要時(shí)可以利用鉆孔取芯法和低應(yīng)變法綜合分析評(píng)價(jià)。另外，對(duì)于有缺陷的樁基還應(yīng)進(jìn)行承載力校核，若能滿足承載要求則可不必處理，降低經(jīng)濟(jì)成本。

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(責(zé)任編輯：孫文彬)

Application and Principle of Acoustic Transmission Method in Detecting the Integrity of Pile Foundation

ZHANG Ji-hua，SUN Hua-sheng，CHEN Jia-rui，LU Tao，SHA Liu-cun，LI Bing-wei

(Faculty of Architecture and Civil Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an Jiangsu 223001，China)

Pile foundation belongs to concealed engineering, and its integrity is related to the stability and safety of the whole engineering structure. There are many methods for detecting the integrity of pile foundation, and acoustic transmission method is a simple, safe, efficient and economic non-destructive detecting method. This paper takes a bored cast-in-situ pile as background.On the basis of comprehensive analysis of the principle of sound wave projection method，the position and size of its completeness are determined by the slope method (PSD), dense measurement and sound shadow overlap. The detecting precision is improved, which provides a reliable guarantee for the safe construction of the next project.

pile foundation detecting; acoustic transmission method ; integrity;concrete

2016-11-19

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20160426);江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(Z205C16575);淮安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(HAG201606);博士科研啟動(dòng)基金(Z301B16511)

張繼華(1984-) ，男，山東嘉祥人，講師，博士，主要從事采動(dòng)巖體力學(xué)與工程和無(wú)損檢測(cè)方面的研究。

TU473.1+6

A

1009-7961(2017)01-0047-05