李 勇， 貴 寧， 李國維， 熊 力，楊永清， LIU Lanbo， 寇英新

(1. 廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623; 2. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098; 3. 河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098; 4. 河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098;5. Department of Civil & Environmental Engineering University of Connecticut，Storrs，CT 06269，USA)

0 引 言

擠擴(kuò)支盤樁是一種新型變截面灌注樁，相較于其他樁型，其單樁抗壓和抗拔性能好，樁長相對短[1]，替代超長直桿摩擦樁有優(yōu)勢。支盤樁的承力盤和分支是樁體上重要的受力構(gòu)件[2-3]，分擔(dān)樁體荷載的主要部分，其質(zhì)量狀況直接影響支盤樁的承載性能。支盤樁承力盤和分支的澆筑過程在地下完成，腔體輪廓無模板支撐，澆筑后的形狀具有一定的不確定性，因此，支盤樁澆筑后承力盤和分支外輪廓形態(tài)的檢測成為必要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。

針對擠擴(kuò)支盤樁的檢測，一般情況下工程上僅進(jìn)行和鉆孔灌注樁檢測項(xiàng)目相同的檢測，如鉆芯取樣檢測樁體強(qiáng)度和連續(xù)性等。已開展的支盤樁檢測研究工作，均是通過間接方法監(jiān)測承力盤和分支的承載性能。通過原位靜載試驗(yàn)[4-5]，分析豎向荷載作用下擠擴(kuò)支盤樁的荷載傳遞機(jī)理和變形特性，由此發(fā)現(xiàn)支盤樁的承載力性狀特征。常規(guī)灌注樁承載性狀的無損檢測方法[6-9]，均可以作為檢測支盤樁檢測的間接手段，超聲波透射法用于混凝土及金屬材料內(nèi)部的缺陷檢測具有顯著的效率優(yōu)勢[10]，用于樁基檢測時(shí)利用樁體內(nèi)預(yù)置的檢測管道發(fā)射和接收信號，除可以直接反映樁身強(qiáng)度外，還可以直接反映樁體的直徑變化范圍[11-12]，低應(yīng)變法[13]也可以粗略反映樁體的外輪廓情況。超聲波旁孔透射波法，在樁身以外設(shè)置檢測管道，通過樁頂激發(fā)接收管道不同深度處的超聲波信號[14-15]，可檢測混凝土灌注樁的樁長和樁身缺陷深度位置。

上述國內(nèi)外研究的成果，尚不能直接判定支盤樁樁身承力盤和分支的形態(tài)，無法反映其空間分布的情況。時(shí)下定量評價(jià)支盤樁的質(zhì)量狀況的方法還不完善，其中支盤樁的外輪廓檢測方法，是該樁型推廣應(yīng)用的重要技術(shù)支撐。本文基于模型試驗(yàn)，利用跨孔超聲波透射法，提出了一種支盤樁外輪廓檢測的方法，致力于檢測支盤輪廓形態(tài)以及計(jì)算輪廓尺寸，建立支盤樁外輪廓檢測的快捷新技術(shù)。

1 模型樁結(jié)構(gòu)及材料性狀

依據(jù)支盤樁施工設(shè)備的可成樁的幾何參數(shù)，選擇其中最小樁的尺寸制作模型樁，幾何參數(shù)列入表1，結(jié)構(gòu)型式及實(shí)景如圖1所示。為模擬樁體內(nèi)部配筋對測試結(jié)果的影響和滿足現(xiàn)場吊裝的需要，模型樁配筋與工程樁相同，配筋尺寸列入表2，配筋圖如圖1（d）所示。模型樁澆筑混凝土約0.931 m3，強(qiáng)度等級為C35，材料參數(shù)列入表3。模型樁內(nèi)預(yù)埋超聲波檢測通道導(dǎo)管4根，樁外放置2根，如圖2所示。

表1 模型支盤樁幾何尺寸

表2 模型支盤樁鋼筋規(guī)格參數(shù)表

表3 模型支盤樁材料參數(shù)表

圖1 模型樁

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)聲測管布置圖

2 試驗(yàn)方案

本模型試驗(yàn)的目的在于，建立模型樁輪廓尺寸與超聲波檢測參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，論證超聲波檢測方法的可行性。采用的試驗(yàn)方法為，用超聲波透射法檢測導(dǎo)管間介質(zhì)的超聲波行程時(shí)間和波形等特征，據(jù)此判斷樁體外輪廓形態(tài)。

試驗(yàn)內(nèi)容包括，將支盤樁模型樁埋入到試驗(yàn)基坑中，以細(xì)砂回填并沖水密實(shí)。檢測導(dǎo)管中充滿水并保持液面齊平管口，采用4通道超聲波透射法自動(dòng)測樁儀，超聲波換能器自導(dǎo)管底起測，勻速上行。試驗(yàn)方案列入表4。現(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖2所示。

表4 模型樁檢測試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 波列圖特征

圖3為試驗(yàn)Ⅰ的A-D檢測截面波列圖。試驗(yàn)中探頭每提升2 cm記錄一次數(shù)據(jù)，表示探頭在某一深度某一時(shí)段內(nèi)所接收到的波形信息。將每一深度測點(diǎn)的波形圖按位置順序從深到淺層依次排列，便形成超聲波波列圖。當(dāng)接收探頭未感知有效信號時(shí)，波形無明顯幅度變化，當(dāng)首波到達(dá)接收探頭時(shí)，波形產(chǎn)生突變，該時(shí)間點(diǎn)為首波到達(dá)點(diǎn)。將每一測線的首波到達(dá)點(diǎn)連線形成初至波線，如圖中紫色線所示。

圖3 跨孔檢測超聲波波列圖

超聲波在不同介質(zhì)中傳遞的速度是不同的?；炷林谐暡úㄋ偌s4.3 km/s，而在飽和土中約為1.6 km/s。由于檢測管的距離是確定的，因此，超聲波傳輸路徑的直線距離是固定的。模型樁支盤的空間形狀是變化的，超聲波傳輸路徑上直線距離范圍內(nèi)，混凝土介質(zhì)所占路徑直線長度的比例也是變化的，致使首波到達(dá)的時(shí)間也是變化的，所以波列圖中初至波時(shí)間線和支盤的外輪廓是有對應(yīng)關(guān)系的。由此，波列圖首波線形狀可以用來初步判斷樁體外輪廓的形態(tài)。

3.2 首波到達(dá)時(shí)間與深度關(guān)系

圖4為首波到達(dá)時(shí)間與深度的關(guān)系曲線，其中圖4（a）測管間距650 mm，圖4（b）測管間距1 000 mm，圖中兩條曲線分別對應(yīng)發(fā)射端在樁內(nèi)、外兩種情況。圖中顯示，超聲波從不同的介質(zhì)中發(fā)出穿過接觸界面，沿相反的方向傳播，在相同深度位置首波到達(dá)接收端的時(shí)間近似相同，首波到達(dá)時(shí)間隨深度變化曲線與超聲波傳播方向的關(guān)聯(lián)性不顯著。

圖4 首波到達(dá)時(shí)間與深度關(guān)系曲線

圖4顯示，首波到達(dá)時(shí)間與深度關(guān)系曲線在一定深度范圍內(nèi)的形狀和模型樁支盤的外輪廓相近，這一深度范圍（0.1～1.1 m）與支盤的厚度（0.8 m）范圍相近。首波到達(dá)時(shí)間的最小值是由測管的間距和聲路介質(zhì)性狀決定的，相同介質(zhì)下路徑長則聲時(shí)大。測管間距650 mm工況聲路上混凝土介質(zhì)長度相對小，對應(yīng)較小的 tmin=170μs，間距1 000 mm工況聲路上混凝土介質(zhì)長度相對大，對應(yīng)較大的tmin=230μs。

首波到達(dá)時(shí)間和傳播途經(jīng)的介質(zhì)有關(guān)，超聲波在土體中的波速小于在混凝土中的速度，途經(jīng)的土體部分路徑越長則首波達(dá)到時(shí)間就越長，否則相對越短。由此，首波到達(dá)時(shí)間實(shí)際上是超聲波傳播途經(jīng)的土體和混凝土中路徑長度相對關(guān)系的反映，即和支盤的外輪廓形狀是對應(yīng)的。

表5為兩次試驗(yàn)支盤范圍內(nèi)的平均聲速和平均波幅。通過比較兩種不同的傳播路徑，可以看出無論發(fā)射端在混凝土中還是在樁周砂土中，聲波的平均聲速均相同，聲波的傳遞方向?qū)ζ骄曀俨o顯著影響。

表5 Ⅰ、Ⅱ號試驗(yàn)各參數(shù)比較

表5數(shù)據(jù)顯示，由樁內(nèi)發(fā)射的工況，對應(yīng)的聲波幅值和能量，均大于樁外發(fā)射的工況。由此判斷，聲波在穿過樁土交界面時(shí)發(fā)生了折射，使得兩個(gè)傳播方向的耗能不同，采用樁內(nèi)發(fā)射樁外接收的方式，聲波能量損失更小，這種方式檢測孔的間距可以更大。

綜上，首波到達(dá)時(shí)間隨深度變化曲線，主要和超聲波發(fā)射端和接收端之間直線穿過的介質(zhì)性狀和厚度相關(guān)，和超聲波的傳播方向關(guān)聯(lián)性不明顯。接收到的超聲波能量和傳播方向有關(guān)，從砼中發(fā)射在砂土中接收的工況，接收到的聲波平均能量相對更高，對于檢測管間距較大的工況，選擇超聲波傳播耗能較小的方向進(jìn)行測試，可以提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

3.3 支盤輪廓幾何尺寸算法

圖5 支盤輪廓計(jì)算原理圖

考慮到檢測管直徑相對于檢測聲波傳播路徑長度為很小的值，和 vs/vw≈1，由此簡化式（7）得式（8）。表6為根據(jù)式（8）和首波聲時(shí)計(jì)算得到的支盤輪廓特征位置的幾何尺寸。圖5（b）為支盤實(shí)際尺寸與檢測計(jì)算結(jié)果的相對關(guān)系，可以看出檢測計(jì)算結(jié)果反映出來的支盤形態(tài)和實(shí)際輪廓尺寸基本吻合，能夠反映模型的輪廓特征。

表6 Ⅰ號試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

綜上，在假定聲波直線穿過介質(zhì)接觸界面的條件下，建立的樁體輪廓尺寸計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際尺寸基本吻合，說明在本模型樁試驗(yàn)條件下，聲波直線穿越介質(zhì)接觸界面的假定是可以使用的。

4 結(jié)束語

1）波列圖首波線形狀與模型樁體輪廓對應(yīng)。每一深度測點(diǎn)的波形圖按位置順序從深層到淺層依次排列形成超聲波波列圖，其中初至波線所描繪的輪廓與支盤樁實(shí)際輪廓基本吻合，可以用來初步判斷樁體外輪廓的形態(tài)。

2）檢測超聲波的傳播方向?qū)扼w輪廓尺寸檢測無顯著影響，對接收到的聲波能量有影響，對于檢測管間距較大的工況，考慮超聲波的傳播方向是有必要的。

3）在本支盤模型樁試驗(yàn)條件下，超聲波直線穿越介質(zhì)接觸界面的假定可以使用，由此建立的樁體輪廓尺寸計(jì)算公式可行。