聲波透射法在大直徑灌注樁完整性檢測中的應用

林高杰,汪純亮

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷及加固技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,天津300456;2.天津博邁科海洋工程有限公司,天津300457）

由于大直徑灌注樁施工技術(shù)要求高，程序較為復雜，在施工過程中很容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此對樁的質(zhì)量檢驗就顯得尤為重要。目前對灌注樁的質(zhì)量檢測主要從兩個方面進行，樁的承載力和樁身完整性。一般在設(shè)計無誤的前提下，如果樁身完整性達到要求，樁的承載力一般都能達到要求，而承載力合格的樁，其完整性不一定能滿足要求［1］。因此對于混凝土灌注樁來說，樁身完整性檢測就尤為重要。目前常用于灌注樁完整性檢測的方法主要有聲波透射法、低應變法和鉆芯法。

1 概述

當檢測樁樁長、樁徑較大，或樁周地質(zhì)條件復雜時，如果采用低應變反射波法檢測樁身完整性，其結(jié)果的準確性將大大降低。根據(jù)多年的實測經(jīng)驗，樁長不宜大于40 m，樁徑不宜大于2 m。

鉆芯取樣法具有直觀和實用等特點，在大直徑灌注樁檢測方面應用較廣。但由于存在耗時長、費用高，以點代面易造成漏判等缺點，不宜大規(guī)模檢測。

聲波透射法與以上兩種檢測方法相比，具有較顯著的優(yōu)點，主要表現(xiàn)為，不受樁長、樁徑、場地等條件限制，能夠較大范圍的覆蓋樁身的各個橫截面，且測試結(jié)果較準確，具有其他檢測方法不可替代的優(yōu)勢。

2 聲波透射法檢測的基本原理

聲波透射法檢測混凝土灌注樁主要采用樁內(nèi)跨孔透射法，通過在樁內(nèi)埋設(shè)兩根或兩根以上的聲測管，把發(fā)射和接收換能器分別置于兩管道中。聲波由發(fā)射換能器發(fā)射，穿過管間混凝土后被接收換能器接收，準確測定聲波經(jīng)混凝土傳播后各種聲學參數(shù)的量值及變化，進而推斷混凝土的完整性情況。

由于混凝土質(zhì)量的隨機波動不可避免，其質(zhì)量波動符合正太分布，那么正常反映混凝土質(zhì)量的指標聲速是服從正態(tài)分布的隨機變量。確定隨機變量臨界值，也就是確定區(qū)分隨機波動與過失誤差的一個判斷標準，凡低于這個標準的取值就認為偏離了正太分布規(guī)律，是異常值。聲速臨界值應按下列步驟計算。

將同一檢測面各測點的聲速值vi由大到小依次排序，即

式中：υi為按序列排列后的第i個聲速測量值；n為檢測剖面測點數(shù)；k為從零開始逐一去掉vi序列尾部最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個數(shù)。

對從零開始逐一去掉vi序列中最小值后余下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，當去掉最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個數(shù)為k時，對包括vn-k在內(nèi)的余下數(shù)據(jù)v1～vn-k按下列公式進行統(tǒng)計計算

式中：v0為異常判斷值；vm為（n-k）個數(shù)據(jù)的平均值；SX為（n-k）個數(shù)據(jù)的標準差；λ為查得的與（n-k）相對應的系數(shù)。

將vn-k與異常判斷值v0進行比較，當vn-k≤v0時，vn-k及其以后的數(shù)據(jù)均為異常，去掉vn-k及其以后的異常數(shù)據(jù)；再用數(shù)據(jù)v1～vn-k并重復（2）～（4）的計算步驟，直到vi序列中余下的全部數(shù)據(jù)滿足

此時，v0為聲速的異常判斷臨界值vc。聲速異常時的臨界值判據(jù)為

波幅異常時的臨界值判據(jù)應按下列公式計算

式中：Am為波幅平均值，dB；n為檢測剖面測點數(shù)。

當式（8）成立時，波幅可判定為異常［2］。

3 混凝土內(nèi)部缺陷對聲學參數(shù)的影響

聲波透射法評價灌注樁樁身完整性，是通過測定聲波經(jīng)過混凝土后各聲學參數(shù)的量值得出的，主要的聲學參數(shù)有波速、波幅、頻率和波形。

聲波在混凝土中的傳播速度是混凝土聲學檢測中的一個主要參數(shù)，混凝土的聲速與混凝土的彈性性質(zhì)有關(guān)，也和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。當聲波在傳播路徑上遇到空洞時，由于混凝土與空氣的特性阻抗相差很大，聲波將沿空洞的邊緣傳播而產(chǎn)生繞射，所測得的聲時比正?；炷烈L，計算的聲速對應較小。如果在傳播路徑上遇到較為松散的材料，將繞過缺陷分界面或直接穿過低聲速材料，測得的聲速也會比正常部位小。

波幅是表征聲波穿過混凝土后能量衰減程度的指標之一，它的強弱與混凝土粘塑性有關(guān)，接收波幅值越低，混凝土對聲波的衰減就越大。在灌注樁聲波透射法檢測中，一般通過水進行耦合，但要注意徑向換能器處于居中位置，如果聲測管與換能器相差較大，需要安裝定位器，確保幅值的影響較小。

接收波主頻率實質(zhì)是介質(zhì)衰減作用的一個表征量，聲脈沖穿過混凝土后，各頻率成分的衰減程度不同，高頻率部分與低頻率部分相比，衰減較嚴重。當混凝土中存在缺陷時，衰減也較為嚴重，接收波的主頻率明顯偏低。

聲脈沖經(jīng)過混凝土缺陷界面時，會產(chǎn)生反射和折射，許多同相位或不同相位波束的疊加，將導致波形發(fā)生畸變，因此可根據(jù)波形畸變程度判斷混凝土的缺陷程度。

4 聲波透射法檢測數(shù)據(jù)的判斷分析

在聲波透射法完整性過程中，如何利用采集到的聲學參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樁身混凝土缺陷，評價樁身混凝土質(zhì)量，從而判定樁的完整性類別是我們檢測的最終目的，同時也是聲學檢測中的一個難題。相對于其他判據(jù)來說，聲速的測值是最穩(wěn)定的，可靠性也最高，而且測值有明確的物理意義，與混凝土強度有一定的相關(guān)性，是進行綜合判定的主要參數(shù)。波幅測試值是一個相對比較量，本身沒有明確的物理意義，其測試值受到許多非缺陷因素的影響，測值沒有聲速穩(wěn)定，但它對混凝土缺陷很敏感，是進行綜合判定的另一重要參數(shù)［3］。

在實際檢測過程中，要將各種判據(jù)區(qū)別對待，采用以聲速和波幅判據(jù)為主、頻率和波形判據(jù)為輔的綜合判定法，對全面反映混凝土的質(zhì)量是較科學的處理方法。

5 混凝土齡期對檢測數(shù)據(jù)的影響

規(guī)范規(guī)定，當采用聲波透射法檢測時，受檢樁混凝土強度至少達到設(shè)計強度的70%，且不小于15 MPa［2］。大量的實測經(jīng)驗表明，當養(yǎng)護齡期較短就進行聲波透射法檢測，往往會發(fā)現(xiàn)樁頂3 m左右范圍內(nèi)出現(xiàn)波速偏低，波幅偏小的現(xiàn)象。建議在樁身混凝土養(yǎng)護齡期14 d以上進行聲波透射法檢測，寒冷季節(jié)應適當加長養(yǎng)護齡期。對于添加了粉煤灰或減水劑的混凝土，建議至少達到21 d的齡期才能進行檢測［4］，以便采集到可靠的便于分析的檢測數(shù)據(jù)?；蚪Y(jié)合實際的資料或經(jīng)驗確定合適的檢測齡期。

6 聲測管的選擇與埋設(shè)

聲測管的安裝是保證現(xiàn)場檢測工作的關(guān)鍵，也是決定數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前常用的聲測管有鋼管、鋼質(zhì)波紋管和塑料管3種，對于超長、大直徑灌注樁工程宜選用鋼管，因為超長、大直徑樁需灌注大量混凝土，水泥的水化熱不易發(fā)散。鑒于塑料的熱膨脹系數(shù)與混凝土相差懸殊，混凝土凝結(jié)后塑料管因溫度下降而產(chǎn)生徑向和縱向收縮，有可能使之與混凝土局部脫開造成空氣或水的夾縫，在聲束路徑上又增加更多反射強烈的界面，容易造成誤判［5］。聲測管內(nèi)徑宜為50～60 mm，直徑小于800 mm的樁宜埋設(shè)2根聲測管，直徑800～2 000 mm的樁宜埋設(shè)3根聲測管，直徑大于2 000 mm宜埋設(shè)4根聲測管。

聲測管固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè)，一般采用焊接或綁扎的方式，在混凝土灌注之前，隨鋼筋籠一起放入樁孔中，聲測管底部應密封并一直埋到孔底。如果不是通長配筋，應確保聲測管的平行度。安裝完畢后，聲測管的上端也應封口或用其他方式保護，以免落入異物，阻塞管道。聲測管中的渾濁水將明顯甚至嚴重加大聲波衰減和延長傳播時間，給聲波檢測帶來誤差，因此檢測前應沖洗檢測管并灌滿清水做耦合劑。

7 聲波透射法在大直徑灌注樁完整性檢測中的應用分析

福建省某工程一大直徑灌注樁，樁徑為2.2 m，樁長為53.4 m，樁端持力層為強風化花崗巖，樁身埋設(shè)4根聲測管。通過對檢測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，6個檢測剖面中，4個剖面在設(shè)計樁頂以下9.4～10.4 m處，混凝土聲速、波幅低于臨界值異常，聲速低于低限值異常。其余2個剖面的聲學參數(shù)均無異常。按照樁身完整性判定的相關(guān)規(guī)定，判定該樁樁身完整性為Ⅲ類。

為準確判斷該樁的樁身完整性，查明問題原因，經(jīng)業(yè)主和設(shè)計同意，對該樁進行了鉆芯法驗證檢測，選取了3個位置進行鉆孔取樣。鉆芯檢測結(jié)果顯示，1號孔9.24～9.89 m處混凝土芯樣松散，含泥且無法取樣，長度約為0.55 m；2號孔9.69～10.29 m處混凝土芯樣松散，含泥且無法取樣，長度約為0.60 m；3號孔9.67～9.97 m處混凝土芯樣多為砂漿體，表觀較差，長度約為0.30 m。鉆芯檢測結(jié)果與聲波透射法檢測結(jié)果吻合。

針對該樁出現(xiàn)的問題，甲方單位非常重視，組織多方對施工工序流程進行剖析和討論，積極配合檢測單位對各種工藝施工的灌注樁進行試驗數(shù)據(jù)比對，經(jīng)過各方的共同努力，后續(xù)施工的大直徑灌注樁樁身完整性基本為I類，確保了工程質(zhì)量，取得了很好的經(jīng)濟效果。

聲波透射法是大直徑混凝土灌注樁完整性無損檢測的一種主要方法，具有較高的準確度和分辨率，不受樁長、樁徑尺寸限制等優(yōu)點［6］，為灌注樁質(zhì)量的檢測分析提供了可靠的依據(jù)，但由于聲波自身的原因，如果僅采用該方法非常準確的判斷缺陷的性質(zhì)是較為困難的，可結(jié)合鉆芯法將其結(jié)果進行對比，從而得出更符合實際情況的分類［2］。

8 結(jié)語

聲波透射法檢測結(jié)果的判定需要綜合考慮多方面因素，包括檢測儀器自身的誤差，聲測管傾斜，檢測人員的水平等。因此對樁身出現(xiàn)的嚴重缺陷，需要采用其他檢測手段進行輔助檢測，并對施工過程進行分析，找出導致樁身缺陷的原因，為檢測結(jié)果的分析提供可靠的依據(jù)。

鉆芯法檢測是驗證聲波透射法檢測結(jié)果的一種有效手段，不受場地的限制，特別適用于大直徑混凝土灌注樁。實踐經(jīng)驗表明，采用聲波透射法進行樁身完整性評價，并結(jié)合鉆芯法進行驗證，對改進施工質(zhì)量，確保工程質(zhì)量，是十分有效的辦法。

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［4］謝銳杰.跨孔超聲波透射法在橋梁灌注樁檢測中的應用［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009（22）：60.XIE R J.Application of ultrasonic wave method in bridge pile foundation test［J］.China new technologies and products,2009（22）：60.

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