王磊 顧廣宇

摘? 要：通過對聲波透射法、低應(yīng)變動力法的原理及方法比較，分析了工程物探方法的應(yīng)用范圍及各自優(yōu)缺點。聲波透射法準(zhǔn)確性高，但是受場地環(huán)境制約因素比較多，能夠高效快捷地找到缺陷、問題存在的位置、區(qū)域及類型，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，而其檢測過程相對繁瑣。低應(yīng)變動力檢測法便捷靈活，速度較快，費(fèi)用不高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，在普通民用住宅及橋梁樁身完整性檢測中應(yīng)用比較廣泛。

關(guān)鍵詞：工程物探;樁基檢測;聲波投射法

中圖分類號：TU473.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1007-1903（2018）04-0071-05

0 引言

工程物探應(yīng)用于工程基礎(chǔ)、管網(wǎng)、市政等工程，在地下管道、采空區(qū)、滑坡及考古工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。主要方法有探地雷達(dá)、瞬變電磁、瑞雷波、反射波、高密度電阻率等基本物探手段。城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)勢必帶動工業(yè)與民用建筑的開發(fā)利用，建筑體的性能和質(zhì)量關(guān)系到每個人的生命財產(chǎn)安全。樁基礎(chǔ)工程是隱蔽工程，其安全性決定了基礎(chǔ)工程的牢固耐用程度。如何保證在數(shù)據(jù)采集過程中排除不利因素的干擾，同時選擇合適的判讀方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，是樁基檢測工作的重要一環(huán)。研究工程物探方法在樁基檢測中的應(yīng)用，可更好地在隱蔽工程中發(fā)揮物探的作用。

1 低應(yīng)變動力檢測

1.1 原理及方法

低應(yīng)變反射波法的主要是檢測樁身結(jié)構(gòu)的完整性和樁身長度，如夾泥、擴(kuò)徑、縮徑、斷樁等樁身質(zhì)量問題。這里以武漢巖海公司RS-1616K儀器為例（圖1），利用尼龍錘（或力棒、鋼棒）在樁頭混凝土新鮮面施加一小沖擊擾動力F（t），激發(fā)一應(yīng)力波沿樁身傳播，然后利用高阻尼速度計或加速度計接收信號（由初始信號、樁身缺陷或樁底反射信號）組合的時程曲線，經(jīng)儀器存儲記錄并用分析軟件V2.72進(jìn)行信號放大、平滑、濾波等處理后，得到加速度時程曲線。通過顯示曲線形態(tài)特征可以研判阻抗缺陷所在位置和分析樁長，由平均波速大小確定混凝土強(qiáng)度等級，再結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料和樁基施工記錄做出對樁身完整性的整體質(zhì)量判別。波速C向下傳播，應(yīng)力波通過樁阻抗z （Z ： AC） 變化界面時一部分應(yīng)力波產(chǎn)生反射向上傳播，其它部分應(yīng)力波向下傳播至樁端，在樁端處又產(chǎn)生反射，砼速度C及缺陷深度L可按下列公式計算：

式中：L為測點下樁長（m）;ΔT為速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差;Δtx為速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差;Cm為樁身波速的平均值（m/s）。

1.2 實際檢測過程中影響因素分析

（1）低應(yīng)變反射波法受地層變化影響較大，檢測精度相對較低，且檢測結(jié)果受樁長和樁徑影響較大，一般適用于樁徑較小、樁長較短的灌注樁。該方法檢測簡便、速度快，但如何獲取好的波形，如何較好地分析樁身完整性是檢測工作的關(guān)鍵。

（2）傳感器的阻抗程度、靈敏性、測量及頻率響應(yīng)的范圍是決定反射波信號精確度的直接因素。當(dāng)阻抗界面發(fā)生了異?，F(xiàn)象，則可以表明基樁中存在明顯的問題或可能發(fā)生的風(fēng)險（許顏等，2011）。

（3）錘擊能量的大小對其檢測結(jié)果的正確性具有關(guān)鍵性的作用，受土方與基樁的影響，樁身混凝土的彈性在這種樁土相互合作的情況下，其彈性會受到一定的影響。如果在錘擊能力較小的環(huán)境下，應(yīng)力波的傳播直徑會變短，能夠潛入到基樁地下，檢測到其存在的安全問題（圖2）。而當(dāng)錘擊能力過大時，會導(dǎo)致基樁周圍的應(yīng)力波反射信息不準(zhǔn)確，進(jìn)而形成檢測盲區(qū)（圖3），給后續(xù)判斷基樁淺部是否存在缺陷帶來極大的影響。

（4）低應(yīng)變檢測過程中對樁頭的處理程度及錘擊速度、混凝土強(qiáng)度及樁頭處理好壞要求都非常高，若有偏差及操作不當(dāng)會導(dǎo)致信號失真至最終的誤判。以筆者在同一工地、同一環(huán)境下采集到的正常波形比對（圖4），理想的檢測效果是處于樁砼新鮮面之上，樁頭清理不干凈、有浮漿破碎面會導(dǎo)致波形失真、引發(fā)誤判（圖5）。實際檢測中如錘擊點位在樁頂?shù)木唧w位置，錘擊點與傳感器之間的位置關(guān)系，耦合劑的選用是否合適，樁基周圍土層的變化等對低應(yīng)變反射波法檢測都有一定影響。在實際檢測中影響檢測結(jié)果的因素有很多，這需要有經(jīng)驗豐富的檢測工作人員盡早發(fā)現(xiàn)，理性分析，合理解決。

（5）砼強(qiáng)度必須保證齡期足夠的狀態(tài)，現(xiàn)實工作中往往因為業(yè)主單位需要或是某些特殊情況，在樁身養(yǎng)護(hù)不到位、混凝土齡期不夠的情況下開展檢測工作，這會很大程度上影響檢測效果，會導(dǎo)致波速比正常樁波速低很多。對比不同日期檢測到的波形（圖6），這種情況下，即使波形上反映無樁身缺陷，樁的豎向抗壓強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計承載力要求。

（6）以筆者多年在低溫環(huán)境下進(jìn)行低應(yīng)變動力檢測的實際效果為例，當(dāng)傳感器與樁頭界面耦合時，對耦合劑的選擇也至關(guān)重要，一般情況下采用的是黃油、石膏或者橡皮泥，若是采用黃油和橡皮泥，低溫情況下（零下25℃以下）會導(dǎo)致速度計與樁頭脫節(jié)，檢測效果非常差，所以在超低溫環(huán)境下要采用耦合效果更好的產(chǎn)品進(jìn)行檢測，比如凝膠、粘合劑，這樣才會保證采集理想的波形。

2 聲波透射法

2.1方法原理

當(dāng)樁身砼內(nèi)部有夾泥、離析、空洞等缺陷時，超聲波在遇到缺陷時會發(fā)生繞射，聲時加長，從而導(dǎo)致波速降低發(fā)生反射和散射，導(dǎo)致能量衰減，波幅降低，由于多種波形的相互影響和疊加，會使波形發(fā)生畸變。因此，根據(jù)超聲波在混凝土中傳播過程的多種聲學(xué)參數(shù)的變化，可以判斷混凝土中是否存在缺陷、裂縫破壞及存在位置、深度，對樁身完整性和樁身質(zhì)量類別進(jìn)行判定。主要測試聲參量有聲速、波幅、 PSD 值、主頻及波形圖（劉德貴等，2009;鄧國文等，2013）。

這里以武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-ST03D（T）非金屬超聲儀為例。將換能器置于兩根聲測管中的測點位置。二個換能器測點間距不宜大于20cm。這時我們需要觀測記錄時程曲線，讀取聲時、首波峰值、周期值、頻譜曲線及主頻值等參數(shù)數(shù)據(jù)。將多根聲測管以兩根為一個檢測剖面進(jìn)行組合，對所有剖面進(jìn)行聲波測量。在可能存在缺陷測點周圍，應(yīng)加密測點（采用斜測或扇形掃測）進(jìn)行復(fù)測（圖7），進(jìn)一步確定缺陷范圍。在同一根樁檢測時，針對各個剖面調(diào)節(jié)和設(shè)定過程中的發(fā)射電壓、檢測參數(shù)應(yīng)一致。

2.2 影響因素分析

（1）砼強(qiáng)度對波形的影響：超聲波是一種彈性波，在混凝土介質(zhì)的傳播服從彈性波的傳播規(guī)律，其波形和傳播速率隨砼強(qiáng)度的變化而變化，砼強(qiáng)度越高，其傳播速度越快。如果砼介質(zhì)完整性好，質(zhì)量均勻，則其波形完整，波速正常，波幅均一性完好。

（2）聲測管：聲速的計算需要考慮精度因素，對聲測管管距測量要精確，因此要考慮聲測管壁的厚度和管徑的大小，誤差不能超過1%。

（3）聲測管接頭產(chǎn)生異常。多個聲測管相連接的時候，換能器位于接頭位置會發(fā)生聲參量異?，F(xiàn)象，測點振幅增大，聲速本身沒有變化（孟新秋等，2017）。這時要繼續(xù)采用斜測法進(jìn)行驗證（同一位置），進(jìn)一步查明是不是接頭不正確導(dǎo)致出現(xiàn)了異常。

（4）聲測探頭提升速度也會影響測量質(zhì)量。檢測過程中探頭如果沒有勻速提升，探頭發(fā)生傾斜顫動或搖晃時波形會產(chǎn)生畸變（在樁底和樁頂部位明顯），嚴(yán)重時還會對首波誤判，影響最終對樁身質(zhì)量的判別。快速提升波形紊亂（圖8），勻速提升波形較好，首波判讀無誤（圖9）。所以，提升探頭要勻速緩慢，防止外界認(rèn)為活動干擾，靜心進(jìn)行。另外在提升過程中探頭盡量保持對齊，由于測繩、管徑或人員站位角度不同等因素，探頭距離過大會導(dǎo)致速度降低，所以在提升過程中應(yīng)保持探頭間同步（劉德華等，2018）。

（5）對于高寒地區(qū)，聲測管在冬天灌入水后表層會結(jié)冰，這時一定要考慮誤差，因為冰水層會導(dǎo)致波速和聲幅降低，影響采集信號的規(guī)則性。因此聲波檢測法對環(huán)境溫度的要求比較高，只有在特定環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件下選擇不同的檢測方法和手段，保證現(xiàn)場采集信號的真實性和精準(zhǔn)性是檢測環(huán)節(jié)最為重要的條件，室內(nèi)分析研判和最終檢測成果的出具都要依托現(xiàn)場最為真實可靠的檢測原始記錄。

3 結(jié)論

（1）聲波透射法檢測中，除了樁身本身存在有缺陷外，檢測過程中的聲測管接頭、提升速度、聲測管質(zhì)量問題、混凝土養(yǎng)護(hù)和齡期、環(huán)境溫度和檢測人員水平等是影響檢測結(jié)果的非常重要的因素，應(yīng)該引起我們足夠的重視。

（2）傳感裝置是有利于收集樁基相關(guān)信號的重要核心設(shè)備，是低應(yīng)變動力檢測中非常重要的信號采集裝置，其靈敏性和使用方法及保養(yǎng)程度決定波形好壞，如何保證在檢測過程中裝置與樁身更緊湊的融為一體，是精準(zhǔn)的接收到完美信號、獲取最精確的數(shù)據(jù)的前提，對最終的研判起到?jīng)Q定性的作用。

（3）聲波透射法可以檢測全樁各橫截面積砼質(zhì)量情況，其結(jié)果比低應(yīng)變法更直接可靠，同時不受長徑比和樁長限制。

（4）以現(xiàn)有的檢測方法和儀器，灌注樁質(zhì)量檢測中最普遍的方法是低應(yīng)變動力檢測和聲波透射法，這兩種檢測方法有各自的適用范圍和優(yōu)缺點。

（5）無論是低應(yīng)變還是聲波透射法檢測，都要等到樁身混凝土齡期超過28天之后待檢測，時間過短采集不到真實數(shù)據(jù)。而且樁頭一定要待施工方清理干凈漏至混凝土新鮮面使傳感器利于粘合的狀態(tài)下方可檢測。

參考文獻(xiàn)

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劉德貴，姚勇，王寧，2009 . 超聲波透視法在樁基檢測中的應(yīng)用[J]. 路基工程，（2）： 159-161.

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