劉仰玉,魯守尊,李奎杰,趙洪利

聲波透射法在南水北調(diào)調(diào)壓井樁基完整性檢測(cè)中的應(yīng)用

劉仰玉1,魯守尊1,李奎杰1,趙洪利2

1. 臨沂市恒泰安全科技有限公司, 山東 臨沂市 276000 2. 山東水利職業(yè)學(xué)院, 山東 日照 276826

調(diào)壓井樁基完整性是影響整個(gè)建筑物安全的關(guān)鍵因素，聲波透射法是一種利用超聲波對(duì)樁基完整性進(jìn)行檢測(cè)的精確方法。結(jié)合保滄干渠工程實(shí)際，介紹了聲波透射法的基本原理、檢測(cè)方法和工作參數(shù)。通過選取特殊樁基波形，利用勻質(zhì)性和完整性判定規(guī)則，分析了波形波速和波幅的變化規(guī)律，揭示了樁基產(chǎn)生缺陷的原因，評(píng)價(jià)了樁基的混凝土勻質(zhì)性和類別，提出了相應(yīng)的常用處理措施。檢測(cè)結(jié)果為大型建筑物的樁基完整性檢測(cè)提供了經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)參考。

調(diào)壓井; 樁基完整性; 聲波透射法; 保滄干渠; 勻質(zhì)性

調(diào)壓井是河北省南水北調(diào)配套工程中最重要的地上水工建筑物，其承臺(tái)具有結(jié)構(gòu)斷面尺寸大、鋼筋密集、一次性澆筑混凝土方量大、混凝土澆筑強(qiáng)度高且溫度控制要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，施工難度很大[1-3]。調(diào)壓井主要用于消減任丘、河間分水口流量變化引起的水擊波，同時(shí)可起到降低下游管道工作壓力、提高工程安全性的重要作用。此工程建成后不僅是一項(xiàng)重要的調(diào)壓工程，而且是一處美麗的人文景觀，將標(biāo)志著河北省南水北調(diào)配套工程向前推進(jìn)的重要一步[4-7]。因此，調(diào)壓井基礎(chǔ)的安全是直接影響整個(gè)調(diào)壓井安全的關(guān)鍵問題，而樁基的完整性將直接決定樁基質(zhì)量，這就需要對(duì)樁基進(jìn)行完整性檢測(cè)。

目前規(guī)范推薦的樁身完整性主要檢測(cè)方法包括低應(yīng)變法，高應(yīng)變法和聲波透射法三種[1]。三種檢測(cè)方法中，尤以聲波透射法的優(yōu)點(diǎn)更為突出，不僅具有檢測(cè)快速、完整細(xì)致、結(jié)果準(zhǔn)確，無需基樁露出地面就可檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，另外還不受施工場(chǎng)地、樁身長(zhǎng)度與樁身直徑的限制，這些都是低應(yīng)變法和高應(yīng)變法無法做到的[2]。

1 聲波透射法基本原理

聲波透射法，也稱跨孔超聲法，是指在樁身混凝土內(nèi)發(fā)射并接收超聲波，通過實(shí)測(cè)超聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的歷時(shí)、波幅和頻率等參數(shù)的相對(duì)變化來判定樁身完整性的一種檢測(cè)方法。具有探測(cè)距離大、完全不破壞結(jié)構(gòu)物，準(zhǔn)確性高，可定量分析出樁身缺陷的大小和確切部位等優(yōu)點(diǎn)[8-11]。其原理為在被測(cè)樁內(nèi)預(yù)埋若干根豎向相互平行的聲測(cè)管作為檢測(cè)通道，將超聲脈沖發(fā)射換能器與接收換能器置于聲測(cè)管中，管中注滿清水作為耦合劑，由儀器的發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖，穿過待測(cè)的樁體混凝土，并經(jīng)接收換能器被儀器所接收，判讀出超聲波穿過混凝土的聲時(shí)、接收波首波的波幅以及接收波主頻等參數(shù)[12-15]。超聲脈沖信號(hào)在混凝土的傳播過程中因發(fā)生繞射、折射、多次反射及不同的吸收衰減，使接收信號(hào)在混凝土中傳播的時(shí)間、振動(dòng)幅度、波形及主頻等發(fā)生變化，這樣接收信號(hào)就攜帶了有關(guān)傳播介質(zhì)(即被測(cè)樁身混凝土)的密實(shí)缺陷情況、完整程度等信息。由儀器的數(shù)據(jù)處理與判斷分析軟件對(duì)接收信號(hào)的各種聲參量進(jìn)行綜合分析，即可對(duì)樁身混凝土的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷樁基缺陷的程度并確定其位置[3]。聲波透射法根據(jù)兩個(gè)換能器的相對(duì)位置分為平測(cè)和斜測(cè)兩種。平測(cè)時(shí)，兩個(gè)換能器應(yīng)始終保持相同深度；斜測(cè)時(shí)，兩個(gè)換能器應(yīng)始終保持固定高差，且兩個(gè)換能器中點(diǎn)連線與水平夾角不應(yīng)大于30°[4]，聲波透射法檢測(cè)示意圖如圖1所示。

圖 1 聲波透射法檢測(cè)示意

圖 2 樁基聲波透射法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意

2 檢測(cè)方法與工作參數(shù)

2.1 檢測(cè)方法

當(dāng)受檢樁的混凝土強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不低于15 MPa時(shí)，方可采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)儀器包括跨孔超聲儀和測(cè)樁換能器，檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

樁內(nèi)預(yù)埋相互平行的聲測(cè)管，聲測(cè)管的埋設(shè)數(shù)量與受檢樁的樁徑有關(guān)，但應(yīng)在滿足超聲波覆蓋范圍盡可能大的前提下，聲測(cè)管埋設(shè)數(shù)量盡量少的原則，樁徑與聲測(cè)管數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表 1 樁徑與聲測(cè)管數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

注：①樁徑≥2500 mm時(shí)，宜增加聲測(cè)管數(shù)量；②圖中陰影部分表示聲波的覆蓋范圍。

Note: ①number of sound testing tubes increased when D≥2500 nm; ② Shadows showed the range of sound wave.

2.2 工作參數(shù)

式中：表示聲測(cè)線的聲時(shí)，表示聲測(cè)線深度。

根據(jù)以上判定方法，并綜合接收波形的畸變以及主頻漂移等多種因素，分析樁身完整性及缺陷特征。

3 工程概況

調(diào)壓井是南水北調(diào)配套工程保滄干渠工程的重要建筑物，位于主干線末端，外部回填土與上游閥井房結(jié)合，形成一條休閑廊架，景觀設(shè)計(jì)的定位為具有重要的紀(jì)念價(jià)值的“南水北調(diào)工程”水利工程管理和科普教育基地，是具有主題性、標(biāo)志性和藝術(shù)性的工業(yè)遺產(chǎn)，調(diào)壓井樁號(hào)為82+995，圓筒型式，內(nèi)徑11.0 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，抗?jié)B等級(jí)為W8，抗凍等級(jí)為F100，調(diào)壓井下部壁厚1.2 m，上部壁厚1.0 m，外壁設(shè)保濕層。調(diào)壓井高程11.40 m，底板厚1.8 m，頂高程34.58 m，設(shè)計(jì)水位31.88 m。外壁設(shè)5.0×2.0 m的溢流堰。調(diào)壓井整個(gè)結(jié)構(gòu)坐落于63根鋼筋混凝土灌注樁之上，灌注樁長(zhǎng)40.0 m，直徑Φ1000 mm，樁間距3.0 m。樁基平面布置圖如圖3所示，其中1#~25#樁為調(diào)壓井主體結(jié)構(gòu)灌注樁，26#~63#樁為調(diào)壓井外圍結(jié)構(gòu)灌注樁。根據(jù)表1可知，直徑為1000 mm的樁，聲測(cè)管須埋設(shè)3根。因工程的重要性及施工設(shè)計(jì)要求，經(jīng)各方協(xié)商確定，對(duì)調(diào)壓井樁基的完整性進(jìn)行全檢。

圖3 樁基平面布置圖

4 檢測(cè)準(zhǔn)備與結(jié)果判定

4.1 檢測(cè)準(zhǔn)備工作

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前準(zhǔn)備工作應(yīng)符合下列規(guī)定：

①當(dāng)受檢樁樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不低于15 MPa時(shí)，方可進(jìn)行檢測(cè)。

②采用率定法確定儀器系統(tǒng)延遲時(shí)間。

③計(jì)算聲測(cè)管及耦合水層聲時(shí)修正值。

④在樁頂測(cè)量相應(yīng)聲測(cè)管外壁間凈距離。

⑤將各聲測(cè)管內(nèi)注滿清水，檢查聲測(cè)管是否暢通；換能器應(yīng)能在聲測(cè)管全程范圍內(nèi)正常升降。

現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)采用平測(cè)法對(duì)全樁各個(gè)檢測(cè)剖面進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)平測(cè)應(yīng)符合下列規(guī)定：

①將發(fā)射與接收換能器通過深度標(biāo)志分別置于兩個(gè)聲測(cè)管道中的測(cè)點(diǎn)處。發(fā)射與接收換能器始終保持相同深度。

②檢測(cè)過程中，應(yīng)將發(fā)射與接收換能器同步升降，聲測(cè)線間距不應(yīng)大于100 mm，并應(yīng)及時(shí)校核換能器的深度。

③對(duì)于每條聲測(cè)線，應(yīng)實(shí)時(shí)顯示和記錄接收信號(hào)的時(shí)程曲線，讀取聲時(shí)、首波幅值和信號(hào)主頻值；保存檢測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，應(yīng)保存波列圖信息[4]。

4.2 結(jié)果判定

4.2.1 樁身缺陷判定分析和處理的主要聲學(xué)參數(shù)有聲速、波幅、主頻，必要時(shí)觀察和記錄波形。

波速判據(jù)和波幅判據(jù)是波形結(jié)果的主要異常判據(jù)，主頻判據(jù)、能量判據(jù)和（斜率法判據(jù)）則只能作為輔助異常判據(jù)。①當(dāng)采用聲速作判定時(shí)，判據(jù)為：V≤0；②當(dāng)采用波幅作判定時(shí)，判據(jù)為：A≤0。

當(dāng)采用信號(hào)主頻值作為輔助異常判據(jù)時(shí)，可利用主頻—深度曲線上的主頻值明顯降低作為異常判定依據(jù)；當(dāng)采用接收信號(hào)能量作為輔助異常判據(jù)時(shí)，可利用能量-深度曲線上的接收能量明顯降低作為異常判定依據(jù)；當(dāng)采用（斜率法）作為輔助異常判據(jù)時(shí)，可對(duì)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)值在某深度處突變時(shí)，還宜結(jié)合波幅變化情況進(jìn)行異常判定依據(jù)。

4.2.2 樁身勻質(zhì)性判定按聲速離差系數(shù)x可把樁身勻質(zhì)性分為A、B、C、D四級(jí)，聲速離散系數(shù)表如表2所示。

表 2 聲速離散系數(shù)表

4.2.3 樁身完整性判定樁身完整性類別應(yīng)結(jié)合樁身缺陷處聲測(cè)線的聲學(xué)特征、缺陷的分布范圍，按下表所列特征由Ⅳ類向Ⅰ類依次進(jìn)行綜合判定[5]，樁身完整性判定表如表3所示。

表3 樁身完整性判定表

5 樁基聲測(cè)結(jié)果分析

采用跨孔超聲儀和測(cè)樁換能器，選取12#、22#和58#樁，對(duì)樁基出現(xiàn)的多種缺陷進(jìn)行綜合判定。

（1）12#樁聲速-深度曲線和波幅-深度曲線如圖4所示。從圖中可看出，樁頭至樁身波形良好，三個(gè)剖面曲線走向類似，波速和波幅均大于對(duì)應(yīng)的臨界值，但均在距樁底約1.0 m范圍內(nèi)波速和波幅劇烈下降，造成樁底波形畸變、產(chǎn)生該缺陷的原因在于樁底混凝土在同一深度出現(xiàn)不均勻厚度的沉渣，且沉渣多為松散狀，造成波速和波幅降低。樁身三個(gè)剖面中最大離差值為5.1%，根據(jù)表2可判定，滿足5%≤C<10%，混凝土勻質(zhì)性等級(jí)為B級(jí)。根據(jù)表3所列特征，12#樁可判定為Ⅲ類樁。常用處理措施是對(duì)樁底進(jìn)行高壓清洗，直到清水從孔口溢出，而后再進(jìn)行高壓灌漿，灌漿完成7 d后，利用聲波透射法重新復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果良好。

圖 4 12#樁聲速-深度和波幅-深度曲線

圖 5 22#樁聲速-深度和波幅-深度曲線

圖 6 58#樁聲速-深度和波幅-深度曲線

（2）22#樁聲速-深度曲線和波幅-深度曲線（圖5）。從圖中可看出，樁頭至樁底波形整體良好，三個(gè)剖面的波速和波幅變化均勻，且波速和波幅均大于臨界值，三個(gè)剖面中最大離差值為4.4%，根據(jù)表2可判定，滿足C<5%，混凝土勻質(zhì)性等級(jí)為A級(jí)。根據(jù)表3所列特征，22#樁可判定為Ⅰ類樁。

（3）58#樁聲速-深度曲線和波幅-深度曲線如圖6所示。從圖中可看出，樁身至樁底波形良好，AB剖面和AC剖面曲線走向類似，但均在距樁頭約8.5 m范圍內(nèi)波速和波幅劇烈下降，甚至波形無法采集，而BC剖面的波速和波幅變化相對(duì)均勻，僅在距樁頭的2.6 m范圍內(nèi)的波速低于臨界值，但仍有1.4 m無波形。造成樁體波形畸變、產(chǎn)生該缺陷的原因在于實(shí)際樁長(zhǎng)短于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，當(dāng)換能器提升至實(shí)際樁頭位置后，超聲波便失去了傳播介質(zhì)——混凝土，從而導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)無法采集波形。三個(gè)剖面中最大離差值為2.7%，根據(jù)表2可判定，滿足C<5%，樁身混凝土勻質(zhì)性等級(jí)為A級(jí)。根據(jù)表3所列特征，58#樁可判定為Ⅳ類樁。常用處理措施有接樁、鉆孔補(bǔ)強(qiáng)或擴(kuò)大承臺(tái)（梁）等。

通過選取典型樁基波形圖，結(jié)合表2和表3判定方法，對(duì)調(diào)壓井的全部樁基完整性進(jìn)行了綜合判定，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，樁基檢測(cè)結(jié)果表如表4所示。

Tabel 4 The determined result of detected pile

表 4 樁基檢測(cè)結(jié)果判定表

6 結(jié) 論

調(diào)壓井作為河北省南水北調(diào)配套工程中最重要的地上水工建筑物，其樁基的質(zhì)量決定著整個(gè)建筑物的安全，聲波透射法憑借其精確性和有效性等特點(diǎn)在樁基完整性檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，并對(duì)成樁工藝和施工質(zhì)量作出了綜合判定。

（1）對(duì)于樁底缺陷，聲波透射法主要反映出的波形特征是樁底位置的各點(diǎn)波速和波幅劇烈下降，造成該缺陷的主要原因多為樁底沉渣，常用處理措施為高壓灌漿。

（2）對(duì)于無缺陷的Ⅰ類樁，聲波透射法主要反映的波形特征是從樁頭至樁底的各點(diǎn)波速和波幅均大于對(duì)應(yīng)的臨界值。

（3）對(duì)于樁頭缺陷，聲波透射法主要反映出的波形特征是樁頭位置或部分樁身的各點(diǎn)波速和波幅劇烈下降，甚至無法采集波形圖，造成該缺陷的主要原因多為實(shí)際樁長(zhǎng)短于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，常用處理措施有接樁、鉆孔補(bǔ)強(qiáng)或擴(kuò)大承臺(tái)等。

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Application of Sound Wave Transmission in Pile Integrity of South-to-North Water Diversion Project

LIU Yang-yu1, LU Shou-zun1, LI Kui-jie1, ZHAO Hong-li2

1.276000,2.276826,

The pile integrity of surge tank is the key factor to influence the safety of buildings，sound wave transmission is an accurate method to detect the pile integrity by using ultrasonic. Base on the practical engineering of Bao Cang Canal，The basic principle、test and operating parameters of sound wave transmission are introduced. By choosing special pile wave form and using the decision rule of the uniformity and the integrity，the causes of pile defects are revealed，the pile of concrete homogeneity and categories are evaluated，the corresponding treatment measures are put forward. These results provide economic and effective technical references to pile integrity for the large building.

Surge tank; sound wave transmission; pile integrity; Bao Cang Canal; homogeneity

TV52

A

1000-2324(2019)04-0661-05

2018-03-15

2018-05-23

劉仰玉(1962-),男,大學(xué)本科,高工,研究方向:水工結(jié)構(gòu). E-mail:laohu001007@qq.com