張紅亮

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220)

引言

隨著工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大直徑超長(zhǎng)灌注樁基礎(chǔ)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。樁基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，對(duì)基樁施工質(zhì)量的檢測(cè)越來(lái)越受到重視，其中樁身完整性檢測(cè)是其中至關(guān)重要的一個(gè)方面。樁身完整性檢測(cè)采用的方法主要有低應(yīng)變法、鉆芯法、聲波透射法等。其中聲波透射法具有諸多優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)全面，檢測(cè)范圍涵蓋整個(gè)樁身；檢測(cè)結(jié)果直觀、可靠；不受樁長(zhǎng)、樁徑的限制，檢測(cè)快捷方便等。基于上述優(yōu)點(diǎn)，聲波透射法的應(yīng)用非常普遍，尤其是對(duì)于大直徑或長(zhǎng)度較長(zhǎng)的混凝土灌注樁，只能通過(guò)樁身預(yù)埋聲測(cè)管采用聲波透射法進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)，判定樁身缺陷位置、范圍和程度。

樁身混凝土缺陷類型主要包括混凝離析、夾泥、空洞等。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，聲波透射法僅能根據(jù)聲學(xué)參數(shù)異常，判斷樁身存在缺陷，但無(wú)法確定缺陷類型，這給缺陷的評(píng)估及修復(fù)帶來(lái)不便，本文通過(guò)以往的工程案例，將聲學(xué)參數(shù)異常與通過(guò)取芯驗(yàn)證后的混凝土缺陷類型進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出常見(jiàn)缺陷類型相應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)異常規(guī)律。為類似檢測(cè)項(xiàng)目提供參考建議。

1 聲波透射法原理

灌注樁澆筑前，根據(jù)樁徑在鋼筋籠上提前布設(shè)符合規(guī)范要求數(shù)量的聲測(cè)管，聲測(cè)管沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)以對(duì)稱形狀分布（圖1）。檢測(cè)前，選擇合適的換能器，換能器的諧振頻率越高，對(duì)缺陷的分辨率越高，但高頻波在混凝土中衰減的越快，有效測(cè)距越小。檢測(cè)時(shí)在聲測(cè)管內(nèi)注滿清水，并將聲波發(fā)射和接收換能器分別放到聲測(cè)管中，由發(fā)射換能器發(fā)射聲波，聲波穿過(guò)檢測(cè)斷面內(nèi)的樁身混凝土，通過(guò)接收到的聲波信號(hào)判讀出超聲波穿過(guò)待測(cè)混凝土的聲時(shí)，根據(jù)聲測(cè)管的間距，計(jì)算出聲速；根據(jù)接收到的聲波波幅以及頻率等聲學(xué)參數(shù)，計(jì)算出接收波的能量參數(shù)。

當(dāng)樁身混凝土存在缺陷時(shí)，超聲脈沖信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生繞射、折射、多次反射等，導(dǎo)致不同的吸收衰減，使接收到的聲波信號(hào)在樁身混凝土中傳播的時(shí)間、振動(dòng)幅度、波形及主頻等聲學(xué)參數(shù)發(fā)生畸變。通過(guò)分析接收到信號(hào)就可以判斷出樁身混凝土的完整性及缺陷信息。

圖1 中：H0為測(cè)點(diǎn)的位置深度（m）；Lp為聲測(cè)管外壁間的距離即測(cè)距(mm）；Ln為測(cè)點(diǎn)間距（mm）。

聲波透射法檢測(cè)的依據(jù)有《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》、《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》、《水運(yùn)工程基樁試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》《公路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》等行業(yè)規(guī)范，缺陷判定依據(jù)主要有“概率法”和“PSD 判據(jù)法”。

2 常規(guī)缺陷與聲學(xué)參數(shù)異常對(duì)比分析

聲波在兩個(gè)聲測(cè)管之間的樁身混凝土中傳播時(shí)，遇到樁身混凝土缺陷，例如蜂窩、空洞、混凝土離析、夾泥等，聲波將發(fā)生衰減，部分聲波需要繞過(guò)缺陷傳播產(chǎn)生漫射現(xiàn)象，這樣聲波傳播時(shí)間增長(zhǎng)，波速降低，波幅減小，接收波形產(chǎn)生畸變。由于不同缺陷引起的波形變化不同，根據(jù)聲學(xué)參數(shù)可以初步判定缺陷類型。

2.1 蜂窩、空洞

混凝土澆筑后產(chǎn)生蜂窩、空洞的主要因?yàn)榘ǎ夯炷梁鸵仔圆?，混凝土澆筑后局部水泥砂漿少，粗骨料密集形成蜂窩；在灌注樁上部樁身有時(shí)因?yàn)榛炷翝仓?dǎo)管提升嚴(yán)重滯后或提升過(guò)程中速度過(guò)快，在澆筑導(dǎo)管位置形成空洞或蜂窩；氣泡密集的樁身混凝土，即便沒(méi)有形成空洞，但氣泡分布較集中，造成混凝土不密實(shí)，強(qiáng)度降低。

在聲波透射法檢測(cè)時(shí)，混凝土內(nèi)的蜂窩、空洞對(duì)聲波傳播速度的影響并不明顯。但可以使聲波能量明顯削弱，接收波振幅明顯降低。這類缺陷特征的鉆芯照片及相應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)圖2 所示。

圖2 鉆芯取樣照片及波列

2.2 混凝土離析

灌注樁容易發(fā)生混凝土離析，離析是指粗骨料與水泥漿分離，形成粗骨料和水泥漿分別相對(duì)集中的區(qū)域，直接導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。產(chǎn)生離析的原因主要包括：一種是樁身混凝土本身質(zhì)量問(wèn)題，由于混凝土配合比不合理或者混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)使得澆筑前混凝土本身產(chǎn)生離析；二是灌注混凝土過(guò)程中，導(dǎo)管埋深不夠，導(dǎo)致上覆水與混凝土不斷攪動(dòng)混合，導(dǎo)致離析；三是由于土層中的超孔隙水壓力對(duì)尚未初凝的混凝土進(jìn)行滲透，沿樁身向水壓力較小的樁頂方向移動(dòng)，造成樁身上部混凝土離析。

對(duì)于混凝土離析部位粗骨料較少而以水泥砂漿為主的地方，聲波透射法檢測(cè)到的波速值下降比較明顯。由于粗骨料少，聲波被反射散射少的緣故，導(dǎo)致振幅測(cè)值不但不下降，有時(shí)還會(huì)高于附近測(cè)值。而對(duì)于粗骨料多而水泥砂漿少的地方則相反，由于聲波在粗骨料中傳播速度更高，往往形成這些部位聲速測(cè)值變化不明顯，有時(shí)反而有所提高。同樣由于混凝土中主要以粗骨料為主，聲學(xué)界面多，加劇了對(duì)聲波的反射和散射，削弱了聲波信號(hào)，使得接收信號(hào)振幅下降明顯。這類缺陷特征的鉆芯照片及相應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)圖3 所示。

圖3 鉆芯取樣照片及波列

2.3 夾泥

在混凝土澆筑過(guò)程中，由于導(dǎo)管密封不嚴(yán)密或破損使泥漿或水進(jìn)入，導(dǎo)致導(dǎo)管中的泥漿與混凝土澆筑在樁身里，導(dǎo)致夾泥的出現(xiàn)。另外一種情況是土層的原因，澆筑過(guò)程中塌孔或孔壁土層掉落的泥土在混在混凝土中造成夾泥。還有可能是由于鋼筋籠或聲測(cè)管卡住上返的泥塊，造成局部夾泥。

對(duì)于夾泥的樁身混凝土，接收波的聲速與振幅均會(huì)下降，下降多少則與缺陷的嚴(yán)重程度有關(guān)。如果是局部的泥團(tuán)，并未完全包裹聲測(cè)管，尤其是并未在兩根聲測(cè)管的測(cè)線上，則下降的程度并不大。如果泥團(tuán)完全包裹在聲測(cè)管四周，或泥團(tuán)體積較大，嚴(yán)重阻礙了聲波的傳播，整體波形畸變更加嚴(yán)重，聲速與振幅下降程度較大，對(duì)聲波振幅的影響更為明顯。夾泥較多或全斷面為泥團(tuán)時(shí)，形成斷樁，無(wú)法接收聲波信號(hào)，信號(hào)缺失。這類缺陷特征的鉆芯照片及相應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)圖4 所示。

圖4 鉆芯取樣夾泥照片及波列

2.4 樁底沉渣

樁底沉渣主要是兩方面原因，一種是灌注樁成孔過(guò)程中未清理到標(biāo)準(zhǔn)要求，一種是澆筑混凝土前孔壁塌落造成孔底沉渣超標(biāo)。

樁底沉渣本身是松散不密實(shí)的堆積體，其本身聲波傳播速度就很低，對(duì)聲波的衰減也非常劇烈，所以只要是樁底沉渣過(guò)厚，聲速和振幅也會(huì)劇烈下降，接收波的波形會(huì)嚴(yán)重畸變，嚴(yán)重時(shí)信號(hào)缺失。通常在樁底出現(xiàn)這種情況多數(shù)是由于沉渣過(guò)厚所引起。信號(hào)與夾泥情況類似。

2.5 樁頂浮漿

對(duì)于樁頂部分，由于澆筑不到位即未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，致使樁頂混凝土為泥砂與水泥漿的混合物，或者是樁頭鑿除時(shí)未完全清除浮漿，導(dǎo)致樁頭混凝土不滿足質(zhì)量要求。

樁頂浮漿對(duì)聲波信號(hào)的影響比較直觀，聲速和振幅都會(huì)明顯下降。區(qū)別于樁身夾泥情況，聲速和振幅下降往往是緩變，當(dāng)缺陷嚴(yán)重時(shí)，信號(hào)缺失。該類型缺陷驗(yàn)證無(wú)需采用鉆芯法，直接鑿除樁頂浮漿直至新鮮混凝土面層，通過(guò)觀察即可判斷是否還存在缺陷。

3 結(jié)語(yǔ)

利用聲波透射法進(jìn)行灌注樁樁身質(zhì)量檢測(cè)，灌注樁樁身混凝土的質(zhì)量情況能在聲波透射法波形圖上準(zhǔn)確地反映出來(lái)。進(jìn)一步區(qū)分缺陷類型則需綜合分析判斷，必要時(shí)采取鉆芯法進(jìn)行驗(yàn)證，但當(dāng)缺陷范圍并非全斷面存在時(shí)，鉆孔位置處混凝土芯樣未必能夠反映出缺陷。根據(jù)聲波透射法的聲學(xué)參數(shù)異常情況，可以初步判斷缺陷類型，主要判斷關(guān)系總結(jié)如下：

1）蜂窩、空洞：混凝土內(nèi)氣泡或空洞、蜂窩不會(huì)明顯降低聲速，但聲波能量明顯衰減、振幅降低明顯。

2）混凝土離析：主要以砂漿為主，粗骨料很少的樁身截面，聲速明顯降低、聲波能量不會(huì)衰減或稍有加強(qiáng)，振幅不變或略有提高。

3）夾泥：局部夾泥時(shí)，該檢測(cè)斷面、聲速、振幅均明顯降低；夾泥較多或全斷面為泥團(tuán)時(shí)，形成斷樁，無(wú)法接收聲波信號(hào)，信號(hào)缺失。

4）樁底沉渣：與夾泥信號(hào)基本一致，樁底出現(xiàn)該情況，一般為樁底沉渣引起。

5）樁頂浮漿：聲速、振幅均明顯降低，但是一個(gè)緩變過(guò)程，缺陷嚴(yán)重時(shí)，信號(hào)缺失。