盧森旺

（通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司廈門分公司，福建 廈門 361012）

0 引言

近年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，鐵路橋梁大量開展建設(shè)，樁基礎(chǔ)作為橋梁工程最常用的基礎(chǔ)形式，在橋梁工程中被大量采用。混凝土灌注樁為地下隱蔽工程，施工工藝復(fù)雜、施工難度較大、混凝土硬化環(huán)境及成型條件復(fù)雜，容易出現(xiàn)斷樁、空洞、縮頸、局部混凝土松散等樁身缺陷，影響上部結(jié)構(gòu)的使用安全。為了檢測混凝土灌注樁樁身完整性，準(zhǔn)確判斷缺陷的位置和大小，我們一般選用超聲波透射法檢測技術(shù)。

1 樁基超聲波透射法檢測原理

樁基超聲波透射法檢測是由發(fā)射換能器向混凝土內(nèi)發(fā)射高頻彈性脈沖波，用接收換能器記錄穿過混凝土的超聲波聲學(xué)參數(shù)[1]。該彈性波在傳播過程中，遇到混凝土介質(zhì)缺陷會(huì)產(chǎn)生透射、反射、繞射、散射，由接收換能器接收波形，對(duì)波的聲速、波幅、頻率及波形特征進(jìn)行綜合分析，確定樁身缺陷的位置范圍及嚴(yán)重程度，進(jìn)而判定樁身完整性[2]。

2 聲學(xué)參數(shù)與混凝土質(zhì)量的關(guān)系

超聲波透射法檢測技術(shù)是檢測混凝土灌注樁樁身完整性，準(zhǔn)確判斷缺陷位置和大小的有效方法。超聲波從發(fā)射換能器發(fā)射經(jīng)混凝土傳播后，接收換能器接收到的超聲波信號(hào)包含混凝土的材料性質(zhì)、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組成的信息，通過分析接收到的超聲波信號(hào)各聲學(xué)參數(shù)值及其變化量，便可推定混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及組成情況。超聲波檢測混凝土灌注樁通常以聲速、波幅、頻率和波形等作為判別樁身完整性的依據(jù)[3]。

2.1 超聲波聲速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

聲速是混凝土彈性性質(zhì)的反映，和混凝土強(qiáng)度相關(guān)?；炷翗?gòu)件內(nèi)部孔隙率越低、混凝土越密實(shí)，超聲波聲速就越高，強(qiáng)度也就越大。但不能用聲速來推算混凝土強(qiáng)度，只能用來判定混凝土的密實(shí)程度。

2.2 超聲波波幅與混凝土內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)系

波幅是聲波沿混凝土傳播后引起的能量衰減程度的反映，波幅強(qiáng)的部位混凝土粘塑性高，波幅弱的部位混凝土粘塑性低，混凝土中強(qiáng)度較低、離析、夾泥、蜂窩等缺陷部位，超聲波能量被吸收衰減或散射衰減量大，波幅值顯著下降[4]。

2.3 超聲波頻率與混凝土質(zhì)量的關(guān)系

超聲波脈沖是復(fù)頻波，包含多種頻率，各頻率成分穿透混凝土后衰減程度存在差異，低頻聲波衰減程度較輕，高頻聲波衰減程度較嚴(yán)重，因此接收到的聲波主頻率有向低頻端漂移的趨勢。衰減因素越嚴(yán)重漂移得越顯著。接收波的主頻率是反映介質(zhì)衰減作用的表征量，聲波穿過混凝土缺陷后主頻率會(huì)顯著降低。

2.4 超聲波波形與混凝土質(zhì)量的關(guān)系

聲波穿過正?；炷梁蟮牟ㄐ翁卣鳎翰ㄐ涡螤钜?guī)則，均勻無畸變；首波波幅陡峭，波幅值大；頻率高，衰減慢[5]。

聲波透過有缺陷的混凝土后，接收波波形特征：波形畸變不規(guī)則；首波平緩，振幅小；頻率低，衰減快；當(dāng)缺陷嚴(yán)重且范圍較大時(shí)，無法接收到波形。

3 超聲波透射法檢測技術(shù)的應(yīng)用

3.1 準(zhǔn)備工作

按設(shè)計(jì)或規(guī)范要求在樁身全長范圍內(nèi)預(yù)埋聲測管，樁頭砍至設(shè)計(jì)標(biāo)高，聲測管管口高于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高100mm，并用清水將聲測管灌滿。每兩根聲測管為一組，測量每組聲測管外壁凈間距。

3.2 設(shè)置超聲波檢測儀參數(shù)

設(shè)置零時(shí)校正值、聲時(shí)修正值，輸入延遲時(shí)間，設(shè)置超聲波采樣增益，采樣長度，測點(diǎn)間隔，測點(diǎn)間距不應(yīng)＞200mm，不宜＜100mm，確保采集到完整的首波信號(hào)。同一根樁波形采集過程中，不能改變聲波發(fā)射電壓，儀器設(shè)置參數(shù)應(yīng)保持不變。

3.3 現(xiàn)場超聲波樁基檢測

檢測前，將聲測管灌滿清水，各聲測管每2根作為一個(gè)檢測剖面，超聲波從發(fā)射換能器中發(fā)出，在接收換能器中接收信號(hào)，測定各聲學(xué)參數(shù)并記錄儲(chǔ)存[6]。發(fā)射、接收換能器放置于聲測管底，聲測管底標(biāo)高應(yīng)一致，同步提升直至完成整根樁長的檢測。遇到聲學(xué)參數(shù)異常部位，可通過水平加密、斜測、扇形掃測等方式加強(qiáng)檢測，進(jìn)一步確定缺陷范圍。

（1）檢查聲測管是否暢通，避免因聲測管不暢通造成換能器卡住或換能器纜線拉斷，將發(fā)射、接收換能器分別放置于各剖面的兩根聲測管中，保持相同高度。換能器徑向應(yīng)設(shè)置扶正器，確保換能器在管內(nèi)居中，保證換能器在提升過程中不碰撞管壁。

（2）收、發(fā)換能器以相同的標(biāo)高從聲測管底部開始同步提升，直到檢測到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高，超聲波檢測儀采集并記錄接收信號(hào)的時(shí)程曲線。

（3）按上述步驟對(duì)所有剖面進(jìn)行檢測，當(dāng)出現(xiàn)個(gè)別聲測管堵管時(shí)，可將接收與發(fā)射換能器放置于不同高度上，但兩個(gè)換能器的連線與水平面夾角不宜＞40°，當(dāng)堵管長度過長時(shí)，可以結(jié)合其他方法，如鉆芯法進(jìn)行完整性檢測。

（4）當(dāng)平測檢測到樁身中有聲學(xué)參數(shù)異常時(shí)，應(yīng)采用加密檢測，同時(shí)也可增加斜測、扇形掃測等檢測方式進(jìn)一步確定缺陷范圍。

4 超聲波數(shù)據(jù)分析與判定

4.1 聲速判據(jù)

實(shí)測混凝土聲速值小于聲速臨界值時(shí)，判為聲速異?？梢扇毕輩^(qū)。

式中：

υi——第i測點(diǎn)的聲速值，km/s；

υD——聲速異常判斷的臨界值，km/s。

聲速臨界值采用正常混凝土聲速平均值減去2倍聲速標(biāo)準(zhǔn)差，即[2]：

式中：

——正常混凝土的聲速平均值，km/s；

συ——正?；炷谅曀俚臉?biāo)準(zhǔn)差，km/s；

υi——第i測點(diǎn)的聲速值，km/s；

n——測點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)一個(gè)檢測剖面中所有測點(diǎn)的聲速值普遍偏低，且離散性很小，用聲速低限值作為判據(jù)。當(dāng)實(shí)測混凝土聲速值小于聲速低限值時(shí)，直接判定為異常。

式中：

υL——聲速低限值，km/s。

聲速低限值的確定：由同條件混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與超聲波聲速對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合本地區(qū)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。

4.2 波幅判據(jù)

波幅臨界值的確定：用波幅平均值減6dB，實(shí)測波幅值小于波幅臨界值時(shí)，判為波幅異?？梢扇毕輩^(qū)。

式中：

AD——波幅的臨界值，dB；

Am——波幅的平均值，dB；

Ai——第i測點(diǎn)相對(duì)波幅值，dB；

n——測點(diǎn)數(shù)。

4.3 PSD判據(jù)

采用PSD值作為超聲波的輔助異常判據(jù)，在某測點(diǎn)附近PSD值明顯變化時(shí)，將其判為可疑缺陷區(qū)。

式中：

ti——第i測點(diǎn)聲時(shí)值，μs；

ti-1——第i-1測點(diǎn)聲時(shí)值，μs；

Zi——第i測點(diǎn)深度，m；

Zi-1——第i-1測點(diǎn)深度，m。

規(guī)范對(duì)聲速和波幅給出了具體的判據(jù)算法，并做出了明確的規(guī)定，PSD判據(jù)、主頻和波形均未給出具體的量化判斷標(biāo)準(zhǔn)。

5 檢測數(shù)據(jù)分析

在樁基檢測過程中，應(yīng)結(jié)合施工工藝，收集施工記錄和相關(guān)技術(shù)資料，綜合分析檢測數(shù)據(jù)，從而對(duì)樁身完整性作出準(zhǔn)確評(píng)判。

如在改建鐵路鷹廈線華安城區(qū)段外移工程的樁基檢測過程中，檢測到一根檢測數(shù)據(jù)有異常的樁基，該樁樁長為17m，樁徑1.8m，混凝土標(biāo)號(hào)為C35，埋設(shè)有4根聲測管。檢測波形見圖1。

圖1 檢測波形

從圖1波形可看出，所檢測的6個(gè)聲測剖面在11m和5m附近均有個(gè)別測點(diǎn)的波幅值低于波幅臨界值，樁身其它部位波形正常。該樁用低應(yīng)變驗(yàn)證，波形正常，無缺陷反射。查看施工記錄未發(fā)現(xiàn)異常情況，詢問現(xiàn)場灌樁技術(shù)人員和工人均表示施工過程一切正常。經(jīng)過仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)部位的缺陷有規(guī)律，11m處的缺陷距離樁底6m，5m處的缺陷距離11m處的缺陷也是6m。根據(jù)這個(gè)規(guī)律尋找原因，向施工單位總工詢問每根聲測管的長度及接頭施工工藝，了解到聲測管每根長度正好是6m，接頭用套管銜接。施工過程中，為了防止水泥漿滲入聲測管，在套管外用膠帶纏繞。這種接頭處理方式是引起缺陷波形出現(xiàn)的原因，套管外用膠帶纏繞，膠帶中可能存在空氣，膠帶以及膠帶中的空氣相當(dāng)于樁身混凝土中的低強(qiáng)度區(qū)，導(dǎo)致超聲波波幅變?nèi)酢?/p>

因此，在樁基檢測過程中，應(yīng)當(dāng)多了解施工工藝，詢問現(xiàn)場施工人員施工情況，結(jié)合了解到的施工信息，綜合分析，才能準(zhǔn)確判斷樁身完整性。

6 結(jié)束語

樁基工程是位于地下的隱蔽工程，樁基質(zhì)量事關(guān)上部結(jié)構(gòu)物的使用安全，一旦樁基出現(xiàn)事故，就可能導(dǎo)致重大的人身、財(cái)產(chǎn)安全事故，且樁基加固處理難度較大。因而樁基檢測是樁基質(zhì)量把關(guān)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是工程領(lǐng)域的重大課題。實(shí)踐證明，超聲波透射法檢測技術(shù)是一項(xiàng)較為成熟、準(zhǔn)確的檢測技術(shù)，在檢測樁基質(zhì)量方面能發(fā)揮重要作用。但必須注意的是，該技術(shù)檢測結(jié)果一定要結(jié)合實(shí)際綜合分析，才能準(zhǔn)確判斷樁身完整性。