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1 橋梁樁基混凝土超聲波檢測技術(shù)原理

超聲波檢測技術(shù)主要是利用超聲脈沖發(fā)射源將調(diào)頻彈性脈沖波射入混凝土內(nèi)部，再借助精準(zhǔn)度較高的接收系統(tǒng)來接收并記錄混凝土內(nèi)部脈沖波傳播過程中的波動特征。超聲波檢測樁基技術(shù)主要根據(jù)超聲波的傳播特點，將混凝土樁基看作彈性介質(zhì)，利用超聲波在其內(nèi)部穿過樁身各橫截面，得到一定的參數(shù)，配合檢測儀器產(chǎn)生的脈沖信號，對得到的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷混凝土樁基內(nèi)部的完整性、連續(xù)性。

2 樁身混凝土質(zhì)量與超聲波聲參量的關(guān)系

要想驗證樁基超聲波檢測的有效性，就需要進(jìn)行精確分析，它主要是以超聲波透射法在整個檢測的過程中出現(xiàn)的聲參量與混凝土的物理學(xué)特征指標(biāo)（強(qiáng)度、變形能力）之間的相關(guān)性作為理論依據(jù)。

超聲波在混凝土中沿縱軸方向貫穿混凝土橫截面，發(fā)出信號反饋出聲學(xué)參數(shù)，反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及完整性。

根據(jù)彈性介質(zhì)中波動理論，縱波波速如下式：

式中：E為傳播介質(zhì)的動彈模；ρ為傳播介質(zhì)的密度；μ為傳播介質(zhì)中的泊松比。當(dāng)混凝土作為傳播介質(zhì)，聲波在其中傳播時，根據(jù)聲學(xué)特點，介質(zhì)會吸收一定的聲波，讓聲波擴(kuò)散進(jìn)而衰減，因此從聲波的發(fā)射點開始向外越來越弱。波的吸收計算公式如下：

根據(jù)上文可以發(fā)現(xiàn)，混凝土樁身的質(zhì)量與超聲波檢測過程中得到的各項聲參量具有相互作用。由此可見，當(dāng)混凝土作為介質(zhì)進(jìn)行檢測時，超聲波在內(nèi)部縱向傳播時，聲波發(fā)生繞射、反射、衰減這三種現(xiàn)象，說明聲波碰到屏障，混凝土內(nèi)部有缺陷。根據(jù)檢測過程中產(chǎn)生的不同聲參量，判斷混凝土內(nèi)部的完整性、連貫性，確定樁基是否存在安全隱患。另外，對混凝土樁基的缺陷判斷以波形曲線形態(tài)主準(zhǔn)，形態(tài)圓滑、主頻峰值突出，沒有明顯異常的波現(xiàn)象，可以判斷該樁基性能完好。

3 橋梁樁基混凝土超聲波檢測技術(shù)的檢測方法

當(dāng)對橋梁的混凝土樁基進(jìn)行完整性以及連貫性檢驗時，最常用到的方法就是超聲波透射法，將其中的雙孔法作為現(xiàn)場檢測的主要方法，需要選擇預(yù)埋聲測管的主要位置（見圖1）和數(shù)量（見表1），還需要認(rèn)真觀測，可以采用平測觀測或者斜側(cè)觀測。

圖1 聲測管布置

表1 聲測管的埋設(shè)要求

聲波儀器主要由計算機(jī)、發(fā)射轉(zhuǎn)換器、接收轉(zhuǎn)換器、聲測管組成，其工作原理見圖2。

圖2 超聲波測樁工作原理示意

4 橋梁樁基混凝土超聲波檢測技術(shù)的界定標(biāo)準(zhǔn)及實例

4.1 界定標(biāo)準(zhǔn)

以《公路工程樁基動測技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01—2004）為標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照其中的要求執(zhí)行，根據(jù)混凝土樁身的缺陷程度、超聲波反饋的聲參量以及波形特點，將混凝土基樁的完整性按照標(biāo)準(zhǔn)劃分，具體如下所述。

Ⅰ類樁：觀察混凝土樁基外觀樁身完整，功能性不受影響，正常使用，波形正常，波幅無明顯異動。

Ⅱ類樁：混凝土樁基外觀相對完整，功能性受到輕微影響，仍可以正常使用，波形正常，波幅值在臨界值范圍內(nèi)。

Ⅲ類樁：混凝土樁基外觀存在明顯缺陷，功能性遭到破壞，承載力下降，波形變形嚴(yán)重，波幅值小于臨界值，在PSD方面變化異常。

Ⅳ類樁：混凝土樁基外觀缺損嚴(yán)重，功能遭到嚴(yán)重破壞，承載力不足，波形變形特別嚴(yán)重，波幅值全部超出臨界范圍并且變化異常。

4.2 工程檢測實例

例一：某嵌巖樁樁身長為2100cm，利用超聲波探測后發(fā)現(xiàn)，此樁樁身較為完好，自樁頂向下0～2100cm的整個樁身位置的AC、BC以及AB剖面的波幅值與聲速值均在正常范圍，參照樁身完整性評估表可知此樁為Ⅰ類樁。通過對此樁進(jìn)行取芯檢測發(fā)現(xiàn)，此樁自樁底至樁頂?shù)哪z結(jié)狀況均較完好，故將此樁判定為合格樁。

例二：某嵌巖樁樁身長為1750cm，利用超聲波探測后發(fā)現(xiàn)，此樁存在一些缺陷，且非常嚴(yán)重，自樁頂向下1600～1750cm位置的BC、AB剖面，以及1575～1750cm位置的AC剖面的波幅值與聲速值均比臨界值小，波形出現(xiàn)異常，PSD值也有所增加。參照樁身完整性評估表可知此樁為Ⅲ類樁。通過對此樁進(jìn)行取芯檢測發(fā)現(xiàn)，此樁自樁頂至1600cm位置樁身的混凝土膠結(jié)狀況一般，自1600cm位置至樁底位置樁身的混凝土出現(xiàn)離析情況，故將此樁判定為不合格。

例三：某嵌巖樁樁身長為1900cm，利用超聲波初測、復(fù)測后發(fā)現(xiàn)，此樁局部存在一些缺陷，自樁頂向下350cm位置的BC剖面、425cm位置的AB剖面以及275～350cm位置的AC剖面的波幅值與聲速值均比臨界值小，但波形未出現(xiàn)明顯異常，參照樁身完整性評估表可知此樁為Ⅱ類樁。此樁雖存在一定的缺陷，但不影響正常使用，通過對此樁進(jìn)行取芯檢測發(fā)現(xiàn)，此樁自樁頂至425cm位置樁身的混凝土膠結(jié)狀態(tài)較為良好，故仍可將其判斷為合格樁。

5 超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用注意事項

當(dāng)利用超聲波檢測技術(shù)檢測橋梁混凝土樁基時，應(yīng)注意以下三個方面：

（1）在施工期間應(yīng)保護(hù)好聲測管，如果聲測管受到損壞，則有可能卡住設(shè)備探頭，使探頭無法深入樁底，也有可能導(dǎo)致聲測管內(nèi)滲入混凝土和砂漿，引起堵管問題。在混凝土施工和對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)期間，均必須將蓋子覆蓋于聲測管管口，這樣不僅可以避免聲測管內(nèi)落入異物堵塞聲測管，還可以避免換能器耦合因滲入雜物而發(fā)生故障。

（2）在埋設(shè)超聲波聲測管的過程中，應(yīng)確保各聲測管之間相互對稱平行，且必須確保探頭能夠在聲測管內(nèi)同步自由伸縮，同時應(yīng)根據(jù)樁基的直徑來確定所需埋設(shè)的聲測管數(shù)量。如果樁徑＜80cm，應(yīng)埋設(shè)2根聲測管；如果樁徑在80～160cm，應(yīng)埋設(shè)3根聲測管；如果樁徑＞160cm，則至少應(yīng)埋設(shè)4根聲測管，檢測時，應(yīng)將2根聲測管作為一組進(jìn)行檢測。

（3）超聲波檢測應(yīng)在成樁的28d后開展，且檢測之前必須先對樁頭部位進(jìn)行開挖處理，待磨平表面后方可實施超聲波檢測。

6 超聲波檢測技術(shù)的局限性

通常情況下，超聲波檢測技術(shù)可以順利地檢測出樁基混凝土的缺陷，然而樁身混凝土檢測僅能檢測出兩根聲測管之間混凝土的完整性，卻無法準(zhǔn)確地檢測出樁基擴(kuò)徑混凝土的缺陷，由此可見，超聲波檢測技術(shù)存在一定的局限性，超聲波只能用于樁基部分混凝土質(zhì)量的檢測，當(dāng)對支撐樁及嵌巖樁的完整性進(jìn)行檢測時，應(yīng)聯(lián)合使用低應(yīng)變反射法檢測技術(shù)，再根據(jù)所測得的樁端支撐數(shù)據(jù)來判斷樁基的承載性能能否達(dá)到設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 結(jié)束語

利用超聲波樁基檢測技術(shù)對大規(guī)模樁基檢測時，該技術(shù)具有設(shè)備輕便、安裝相對簡單、操作便利、設(shè)備靈敏度高、反饋信號好等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于大規(guī)模、大尺徑混凝土樁基檢測，為現(xiàn)代公路、橋梁的建設(shè)提供全新的安全保障。雖然該技術(shù)具有較強(qiáng)的穿透能力，可以幫助施工單位較為準(zhǔn)確地掌握橋梁樁基的完整狀況，但是其也存在一定的局限性。因此，在未來的工作中，相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)對超導(dǎo)波檢測技術(shù)的探索和改進(jìn)，以促進(jìn)超聲波檢測技術(shù)的良好發(fā)展，從而為我國混凝土工程建設(shè)的發(fā)展提供可靠的技術(shù)支撐。