劉濱

（江西省公路工程檢測(cè)中心，江西 南昌 330013）

0 引言

混凝土橋梁檢測(cè)作為一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，通過應(yīng)用聲波檢測(cè)技術(shù)，能夠在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，明確結(jié)構(gòu)存在的問題，為混凝土橋梁后期維護(hù)工作奠定基礎(chǔ)。

1 聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

橋梁樁基檢測(cè)環(huán)節(jié)，應(yīng)用超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行，利用超聲設(shè)備完成檢測(cè)，快速確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷問題，便于提升橋梁質(zhì)量水平。通過超聲設(shè)備直接向混凝土樁基結(jié)構(gòu)發(fā)射高頻脈沖彈性聲波，經(jīng)過結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生反射，再利用精密度高的接收設(shè)備獲取信號(hào)，進(jìn)而快速地掌握聲波在樁基結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳輸情況，通過計(jì)算和分析，得出是否存在缺陷的結(jié)論。聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)樁基的工作原理見圖1。

圖1 聲波檢測(cè)樁基混凝土原理

在檢測(cè)工作中，把聲波檢測(cè)器聲測(cè)管線安裝到樁基一側(cè)上，將設(shè)備上的發(fā)射、接收探頭與聲測(cè)管進(jìn)行連接，在管道內(nèi)部注入耦合劑，一般是清水。設(shè)備按照特定的周期發(fā)射電脈沖信號(hào)，然后在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換成為符合需要的高頻彈性聲波。樁基混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行脈沖的傳輸，利用設(shè)備直接獲取脈沖的頻率、頻譜、波形等信息，快速判斷出缺陷具體的數(shù)據(jù)信息，并通過設(shè)備分析數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而得出缺陷發(fā)生的位置、缺陷具體情況以及影響參數(shù)等，并判斷出強(qiáng)度等信息。

2 聲波透射技術(shù)

2.1 樁內(nèi)單孔透射法

該方法通常聯(lián)合鉆芯檢測(cè)方式同時(shí)使用，以提升檢測(cè)效率和水平。應(yīng)用樁內(nèi)單孔透射法，一般需要在樁基內(nèi)部預(yù)留一個(gè)單孔，安裝一個(gè)換能器，該裝置能夠接收、發(fā)射信號(hào)。在檢測(cè)工作中，檢測(cè)內(nèi)部安裝隔音材料實(shí)現(xiàn)隔離處理，發(fā)射聲波后，利用耦合劑直接穿越到混凝土內(nèi)，最后再返回到接收器上，利用聲學(xué)參數(shù)可以快速地掌握樁基結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)。如果樁基內(nèi)部存在鋼管，會(huì)對(duì)測(cè)量質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇確定方案，提升檢測(cè)質(zhì)量和效果。

2.2 樁外孔透射法

該方法通常應(yīng)用在沒有設(shè)置換能器的情況下，可以獲取較為準(zhǔn)確的檢測(cè)效果。在測(cè)量工作的實(shí)施中，一般需要在樁體結(jié)構(gòu)的外部土層內(nèi)設(shè)置一個(gè)測(cè)量孔，系統(tǒng)內(nèi)主要包含發(fā)射、接收換能器和聲波檢測(cè)儀。系統(tǒng)安裝需要將發(fā)射換能器安裝到樁基頂部，空洞內(nèi)安裝接收換能器，通過接收系統(tǒng)可以快速地掌握樁基、土層內(nèi)聲波變化形態(tài)。樁外透射法的優(yōu)勢(shì)是操作簡(jiǎn)單，還能保護(hù)樁基的完整性，但是在具體的操作中，其聲波衰減的速度很快，對(duì)發(fā)射器的功率要求較高，且不能應(yīng)用到長(zhǎng)樁基測(cè)量中。此外，該方法只能應(yīng)用在斷樁、縮頸等質(zhì)量問題檢測(cè)中，而如果灌注樁的剖面尺寸不規(guī)則，容易導(dǎo)致檢測(cè)出現(xiàn)較大的偏差，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇應(yīng)用。

2.3 跨孔透射法

該方法應(yīng)用比較普遍的是聲波透射檢測(cè)法，檢測(cè)開始前在樁基內(nèi)安裝兩根聲測(cè)管。檢測(cè)工作過程中，在管道內(nèi)部注入清水作為耦合劑，在管道內(nèi)分別安裝發(fā)射、接收換能器。檢測(cè)開始時(shí)，工作人員開啟設(shè)備將聲波發(fā)射出去，經(jīng)過管道內(nèi)清水傳播到接收換能器，確定具體的檢測(cè)范圍。從實(shí)際情況分析，跨孔透射法應(yīng)用的基礎(chǔ)是兩根聲測(cè)管，雖然安裝較為煩瑣，但應(yīng)用時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)靈活、方便，數(shù)據(jù)精度高。在具體的檢測(cè)過程中，需要根據(jù)檢測(cè)的要求同時(shí)提升接收、發(fā)射換能器的高度，然后逐一進(jìn)行檢測(cè)。此外，利用接收、發(fā)射換能器存在的高度差，將聲波制作為規(guī)定斜角。如果測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)樁基內(nèi)有裂紋或者異物，應(yīng)及時(shí)調(diào)整高差，得出不同聲波網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)裂紋點(diǎn)的交叉測(cè)量，快速獲取精度較高的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量人員可以固定一點(diǎn)，移動(dòng)另外一點(diǎn)，形成扇形測(cè)量區(qū)域，獲取檢測(cè)信息，數(shù)據(jù)精度高、準(zhǔn)確性好。

3 混凝土橋梁檢測(cè)聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 橋梁混凝土樁基檢測(cè)準(zhǔn)備

3.1.1 聲波檢測(cè)管線埋設(shè)

聲波檢測(cè)工作開展前，先進(jìn)行管線的埋設(shè)施工，這樣可以保證換能設(shè)備通道正常工作，得出準(zhǔn)確檢測(cè)數(shù)據(jù)信息。目前檢測(cè)管線通常是金屬材質(zhì)的線路，通過螺紋連接形成，管線內(nèi)直徑比換能設(shè)備外直徑小15mm 左右。聲波檢測(cè)中，管線多制作成鋼筋籠，采取綁扎施工方式，設(shè)置在不低于樁身300mm 的位置，預(yù)防有雜物進(jìn)入到管道內(nèi)而影響檢測(cè)精度。

3.1.2 聲波檢測(cè)設(shè)備準(zhǔn)備

混凝土橋梁檢測(cè)過程中，超聲檢測(cè)設(shè)施是基礎(chǔ)，也是保證檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前來說，超聲設(shè)備包含聲波檢測(cè)儀器、能量轉(zhuǎn)換器、計(jì)算設(shè)備、檢測(cè)管線等。在開展檢測(cè)工作前，應(yīng)進(jìn)行聲波檢測(cè)設(shè)備的校正、調(diào)節(jié)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都符合要求、達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求才能開展檢測(cè)，以免對(duì)檢測(cè)活動(dòng)造成不利影響。

3.2 聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)施工序

在進(jìn)行橋梁樁基不同剖面檢測(cè)工作中，先利用平測(cè)的方式，獲取斷面異常的位置信息，然后再進(jìn)行加密平測(cè)、扇形掃測(cè)或者傾斜檢測(cè)等操作。在平測(cè)剖面環(huán)節(jié)，各項(xiàng)設(shè)備在檢測(cè)時(shí)應(yīng)同步進(jìn)行升降操作，得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。傾斜測(cè)量剖面時(shí)，發(fā)射、接收換能器應(yīng)設(shè)置一定的高度差，再同時(shí)升降設(shè)備，保持高度差不變，得出具體的測(cè)量差異參數(shù)值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷部位。扇形掃測(cè)方式的應(yīng)用，是利用發(fā)射換能設(shè)備在特定高度上進(jìn)行，再利用其他的測(cè)量線路以扇形剖面方式測(cè)量。扇形掃測(cè)中，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置的測(cè)量距離有差異，波速的比較可以快速確定，但是波幅并不能準(zhǔn)確確定，只能通過臨近測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行缺陷分析。

3.3 聲波檢測(cè)參數(shù)結(jié)果測(cè)評(píng)

以不同測(cè)量點(diǎn)來明確相應(yīng)的聲波波幅、聲速等數(shù)據(jù)，并與樁基結(jié)構(gòu)高度對(duì)比分析，從而進(jìn)行缺陷測(cè)算分析，最終得出檢測(cè)結(jié)果，判定樁基是否存在缺陷問題。

3.3.1 混凝土強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果

在檢測(cè)工作中，應(yīng)通過混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間關(guān)系，確定聲波速的數(shù)據(jù)，主要是利用聲波速和混凝土力學(xué)性能、抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)合表1 確定混凝土強(qiáng)度參數(shù)。

表1 聲速與強(qiáng)度比較

聲速/（km/s）強(qiáng)度測(cè)評(píng)低于2很差2～3差3～3.5待定3.5～4.5好＞4.5很好

3.3.2 根據(jù)聲波傳播速度參數(shù)判別

在檢測(cè)工作后，利用概率方法計(jì)算，可以獲取聲波傳播標(biāo)準(zhǔn)臨界值參數(shù)。質(zhì)量符合要求的混凝土結(jié)構(gòu)，聲波臨界參數(shù)具備離散性特征，所以聲波速確定時(shí)，需要利用質(zhì)量合格混凝土標(biāo)準(zhǔn)差與聲波速參數(shù)確定，提高數(shù)據(jù)測(cè)量精度的要求。

3.3.3 根據(jù)聲波波幅參數(shù)判別

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)聲波幅數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，了解缺陷部位和正常部位的差異。如果波幅臨界值相對(duì)較小，通常將平均值6dB 作為臨界值使用，以確定具體的缺陷位置。樁基混凝土結(jié)構(gòu)的聲時(shí)參數(shù)如果存在變化，回歸造成深度缺陷斜率的增大，這樣利用聲時(shí)參數(shù)即可確定缺陷問題的程度，再根據(jù)相應(yīng)的曲線斜率，得出準(zhǔn)確的質(zhì)量缺陷數(shù)據(jù)。如果檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)某個(gè)部位上的斜率發(fā)生很大的變化，即可確定缺陷位置。

3.3.4 聲波波幅、傳播速度及PSD 參數(shù)評(píng)測(cè)

在樁基結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，波幅變化過于劇烈的檢測(cè)點(diǎn)，即缺陷發(fā)生率較高的部位，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增加扇形掃測(cè)或傾斜檢測(cè)等方法聯(lián)合測(cè)量，通過波幅數(shù)據(jù)信息可以得出缺陷等級(jí)、位置信息，為缺陷處理提供基礎(chǔ)。如果波幅、傳播速度、缺陷斜率等方面的差異明顯，還要考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工情況、波形變化等方面因素，再確定具體的缺陷位置。如果波速經(jīng)過檢測(cè)后，持續(xù)性低于臨界值，再輔助使用鉆芯法得出具體數(shù)據(jù)信息。

4 基于實(shí)際工程的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析

4.1 工程概況

該橋梁項(xiàng)目總長(zhǎng)為481m，為連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式，使用的是三跨中央雙索面斜拉橋的形式。在橋梁表面設(shè)計(jì)為雙向四車道，橋梁寬度為24.5m，總計(jì)使用44 根樁基，樁徑在1200～2800mm 之間，采用鉆孔灌注樁的形式，樁徑2.8m、樁長(zhǎng)20m，在內(nèi)部埋設(shè)有4 根聲測(cè)管，樁基結(jié)構(gòu)施工的4 周后，開始進(jìn)行超聲檢測(cè)。

4.2 檢測(cè)準(zhǔn)備

檢測(cè)工作開始前，做好下述幾個(gè)方面的工作。

4.2.1 技術(shù)調(diào)研

技術(shù)人員深入橋梁工程現(xiàn)場(chǎng)了解樁基特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在樁基內(nèi)埋設(shè)的聲測(cè)管是正方形布置的形式，這種形式優(yōu)先選擇跨孔透射法?？偨Y(jié)以往工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合此次橋梁的實(shí)際情況，吸收并且借鑒了局部條件下情況，選擇聲波測(cè)量分析技術(shù)，可以防止存在不利影響，提高檢測(cè)結(jié)果和精度，對(duì)后續(xù)工作產(chǎn)生積極的作用。

4.2.2 加強(qiáng)環(huán)境控制

為了提高檢測(cè)精度，提升固化水平，需要合理地應(yīng)用聲波測(cè)量技術(shù)，在樁頭的部位實(shí)施必要的開挖和破除樁頭的工作，然后進(jìn)行表面磨平處理，為檢測(cè)工作順利實(shí)施提供基礎(chǔ)。

4.2.3 選擇合適的檢測(cè)設(shè)備

技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行綜合分析，了解影響因素，最終選用ZBL-U5600 便攜式超聲儀，這是目前使用比較普遍的探測(cè)儀設(shè)備，通用價(jià)值較高，可以快速完成樁基缺陷檢測(cè)，了解樁體結(jié)構(gòu)的完整性信息。該項(xiàng)目使用的換能器是發(fā)射縱波振動(dòng)換能器裝置。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的過程中，主要做好如下工作：

第一，檢測(cè)聲測(cè)管的平行度。在檢測(cè)工作實(shí)施前，進(jìn)行各個(gè)聲測(cè)管平行度的檢測(cè)。在此次工程中，發(fā)現(xiàn)4 根聲測(cè)管平行度有一定偏差，但是在合理的范圍內(nèi)，不會(huì)給檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

第二，了解聲測(cè)管距離關(guān)系，測(cè)定分析聲測(cè)管到外壁的距離，確定符合此次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

第三，聲測(cè)管外徑57mm，壁厚3.5mm，因?yàn)楣艿辣诤駥?duì)測(cè)量結(jié)論存在著直接的影響，所以需要做好分析，為誤差分析提供基礎(chǔ)。檢測(cè)工作正式開展時(shí)，先應(yīng)用平測(cè)的方式進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量工作開展環(huán)節(jié)，同時(shí)提升發(fā)射、接收換能器，為防止出現(xiàn)過大的誤差，應(yīng)在檢測(cè)時(shí)利用水平儀調(diào)整處理，達(dá)到精準(zhǔn)性要求。發(fā)射波控制環(huán)節(jié)，為提高測(cè)量精度，技術(shù)人員需要及時(shí)落實(shí)頻率、振幅的調(diào)節(jié)，加強(qiáng)頻率、振幅控制，以得出準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有異常問題，需要記錄高度數(shù)據(jù)。一組測(cè)量結(jié)束后，再進(jìn)行剩余管道測(cè)量，構(gòu)建測(cè)量數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)定量分析。

4.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析要從下述幾點(diǎn)出發(fā)：聲速、波幅和PSD（Power Spectral Density，信號(hào)的功率譜密度）。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)分析，可以判定樁基質(zhì)量。因?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)較多，部分檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 檢測(cè)結(jié)果（部分）

主頻/kHz 41.2 41.2 41.2 43.1 41.5測(cè)點(diǎn)序號(hào)12345深度/m 17.6 17.8 18.0 18.2 18.4跨距/mm 2360 2360 2360 2360 2360聲時(shí)/ms 173.0 173.0 174.0 173.0 177.0聲速/（km/s）3.825 3.825 3.804 3.825 3.743波幅/nV 97.1 96.4 96.0 97.6 96.5

振幅數(shù)據(jù)按照規(guī)定數(shù)據(jù)確定。此次橋梁檢測(cè)工作平測(cè)衰減的標(biāo)準(zhǔn)為6dB。這是平均參數(shù)值，分析發(fā)現(xiàn)只有一處衰減超出6dB 平均參數(shù)值，技術(shù)人員先將該位置標(biāo)記為疑似缺陷位置。在全面檢測(cè)結(jié)束后，針對(duì)標(biāo)記好的疑似缺陷位置，應(yīng)用傾角測(cè)量、扇形測(cè)量等方式，確定具體的缺陷問題范圍。此次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷并未超出規(guī)定的要求。根據(jù)表2 的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，判定出這兩個(gè)測(cè)管樁體的連接性能是比較好的。在18.8～20m 的區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)聲速有所降低，但是基本處于正常的范圍內(nèi)，測(cè)量樁基承壓強(qiáng)度，沒有對(duì)樁基承壓力造成過大的影響。按照目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，此次測(cè)量樁基結(jié)構(gòu)完全符合工程的要求，達(dá)到橋梁使用標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)引發(fā)質(zhì)量事故問題，可以投入使用。

5 聲波檢測(cè)技術(shù)操作要點(diǎn)

檢測(cè)工作開始前，需要預(yù)埋聲波聲測(cè)管，該環(huán)節(jié)應(yīng)確保各個(gè)管線是水平對(duì)稱的布置形式，探頭可以在管道內(nèi)部隨意移動(dòng)。聲測(cè)管的數(shù)量根據(jù)樁基管徑密度參數(shù)確定，加強(qiáng)管線防護(hù)管理，端部設(shè)置蓋板，防止雜物進(jìn)入內(nèi)部。加強(qiáng)樁基內(nèi)部控制，避免探頭直接落入管線底部，也不能有其他物質(zhì)影響測(cè)量的效果。

聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要在橋梁樁基混凝土施工結(jié)束四周后開展。檢測(cè)工作實(shí)施中，應(yīng)按照挖樁、破樁、找平、檢測(cè)的順序開展。此外，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管控，預(yù)防有雜物進(jìn)入管線內(nèi)而影響測(cè)量數(shù)據(jù)精度。

聲波探頭包含傳感器、數(shù)據(jù)采集元件等，應(yīng)保證各個(gè)元件質(zhì)量合格，并選擇符合設(shè)計(jì)要求的測(cè)試模塊進(jìn)行，確保獲得的數(shù)據(jù)達(dá)到精度的要求、波形清晰可見。聲測(cè)管線必須和鋼筋籠穩(wěn)定連接，防止發(fā)生堵塞、形變等問題。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求，確定最佳的聲測(cè)管厚度參數(shù)、確認(rèn)焊接連接效果達(dá)標(biāo)、管線內(nèi)部直徑滿足測(cè)量的要求。聲波檢測(cè)工作開展前，應(yīng)在管線內(nèi)部注入足量的清水作為耦合劑使用，并加強(qiáng)水質(zhì)的控制，預(yù)防因?yàn)樗|(zhì)渾濁而導(dǎo)致衰減、傳播時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生不利的影響。如果經(jīng)過檢測(cè)后確定樁基某部位質(zhì)量不合格，還要聯(lián)合鉆芯技術(shù)補(bǔ)測(cè)，得出完整性參數(shù)。加強(qiáng)檢測(cè)工序的控制，澆筑保持連續(xù)進(jìn)行，底部沉渣厚度在合理的范圍內(nèi)，預(yù)防發(fā)生離析、冷接縫的問題，提升樁基結(jié)構(gòu)的性能和承載力，保證符合橋梁工作的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)語

綜上所述，在混凝土橋梁檢測(cè)中，應(yīng)用聲波技術(shù)具備非常明顯的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為操作簡(jiǎn)單、結(jié)果精準(zhǔn)、直觀，但單純應(yīng)用聲波透射法并不能準(zhǔn)確判斷出樁基缺陷問題，基于此，應(yīng)聯(lián)合多種方法進(jìn)行全面檢測(cè)，發(fā)揮出聲波檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，也提高檢測(cè)精度，便于及時(shí)處理樁基缺陷問題，提升承載力，滿足橋梁運(yùn)行要求。應(yīng)重視聲波檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，保障混凝土橋梁樁基性能和質(zhì)量。