鉆孔灌注樁的超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

王　鵬, 樊　勇, 馬　銳，徐曉東，范瑜洋,

(1. 淮安市建筑工程檢測(cè)中心有限公司，江蘇 淮安 223001;

2.灌南縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇 連云港 225003；

3. 淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

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鉆孔灌注樁的超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

王鵬1, 樊勇1, 馬銳2，徐曉東3*，范瑜洋3,

(1. 淮安市建筑工程檢測(cè)中心有限公司，江蘇 淮安 223001;

2.灌南縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇 連云港 225003；

3. 淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

摘 要：超聲波的波速等參數(shù)在不同介質(zhì)中有較明顯的差異，在混凝土中傳播時(shí)其聲學(xué)參數(shù)與混凝土的密實(shí)程度存在密切的關(guān)系，根據(jù)所采集的聲學(xué)信號(hào)及參數(shù)的變化情況可以反映出混凝土中介質(zhì)的變化情況，從而達(dá)到判斷基樁完整性的目的。結(jié)合某倉(cāng)庫(kù)鉆孔灌注樁的基樁檢測(cè)，介紹了超聲波檢測(cè)的應(yīng)用，并對(duì)聲波法在基樁檢測(cè)中的基本理論、檢測(cè)方法及判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌樁；混凝土；超聲波；檢測(cè)

0引言

混凝土鉆孔灌注樁是基礎(chǔ)工程中目前最基本、最普遍的一種深基礎(chǔ)，技術(shù)成熟，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備投入不大。因此，被廣泛應(yīng)用在房屋建筑、高聳結(jié)構(gòu)、鐵路及橋梁等各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。但是，由于鉆孔灌注樁屬于隱蔽工程，其質(zhì)量和內(nèi)部缺陷，尤其是樁身的完整性及混凝土強(qiáng)度，成為成樁后的質(zhì)量檢測(cè)中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。目前，對(duì)于基樁的基礎(chǔ)方法主要有：鉆芯法檢測(cè)、超聲波透射法檢測(cè)、低應(yīng)變法檢測(cè)。因?yàn)槌暡ㄍ干浞ǔ?huì)因樁頭施工造成聲波管被挖斷或因管頂?shù)姆馍w脫落造成堵管，無(wú)法正常檢測(cè)至樁底，對(duì)基樁整體進(jìn)行判定，此時(shí)需要局部采用低應(yīng)變法對(duì)樁基補(bǔ)充檢測(cè)[2]。本文結(jié)合淮陰卷煙廠煙葉倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目三期工程9#、10#煙葉醇化庫(kù)的樁基超聲波檢測(cè)，分析超聲波檢測(cè)的工作原理、檢測(cè)方法和實(shí)際工程的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析處理。

1超聲檢測(cè)樁基

1.1基本原理

混凝土灌注樁聲透射法檢測(cè)的主要工作原理：在樁身中預(yù)埋若干根聲測(cè)管、聲測(cè)管材質(zhì)可以是鐵管或PVC管、管內(nèi)充滿水作為聲耦合劑。然后將超聲脈沖發(fā)射器和接收傳感器分別置于聲測(cè)管中同一水平高度。測(cè)試中，兩個(gè)傳感器保持同步移動(dòng)，發(fā)射傳感器發(fā)射超聲脈沖通過(guò)樁身混凝土到達(dá)接收傳感器接收[3]。由于超聲脈沖發(fā)射源在混凝土內(nèi)激發(fā)高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在混凝土內(nèi)傳播過(guò)程中表現(xiàn)的波動(dòng)特性；當(dāng)混凝土內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時(shí)，缺陷面形成波阻抗界面，波達(dá)到該界面時(shí)，產(chǎn)生波的透射和反射，使接收到的透射波能力明顯降低；如果混凝土中存在松散、蜂窩、孔洞等內(nèi)部缺陷，聲波將產(chǎn)生散射或繞射；依據(jù)波的初至?xí)r間和波的能量衰減特征、頻率變化及波形畸變等，可以獲取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)混凝土的密實(shí)度參數(shù)。測(cè)試記錄不同側(cè)面、不同高度上的超聲波動(dòng)特性，經(jīng)過(guò)處理分析就能判別內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小及空間位置。

根據(jù)樁身完整性的判據(jù)，將樁身質(zhì)量分成4類。

Ⅰ類樁：樁身完整。樁身沒有缺陷，波速比較均勻，異常處的波速大于檢測(cè)樁身平均值，波幅無(wú)明顯差異。

Ⅱ類樁：樁身有輕微缺陷，但不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮。某一聲測(cè)剖面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)的聲速、波幅略小于臨界值，但波形基本正常。

Ⅲ類樁：樁身有輕微缺陷，但不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮。某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值小于臨界值，PSD值變大，波形畸變。

Ⅳ類樁：樁身存在嚴(yán)重缺陷。某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值明顯小于臨界值，PSD值突變，波形嚴(yán)重畸變。

1.2檢測(cè)判別

1.2.1波速判據(jù)

彈性波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，其聲學(xué)參數(shù)具有不一樣的體現(xiàn)，通過(guò)聲學(xué)參數(shù)在不同介質(zhì)中的差異可以達(dá)到判定混凝土完整性的目的。波速與混凝土力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系[4]為：

(1)

式中：E、ρ、μ分別為混凝土的彈性模量、泊松比和密度。

1.2.2波幅判斷

聲波穿過(guò)混凝土內(nèi)部時(shí)，部分聲能被缺陷內(nèi)含物所吸收，部分聲能被缺陷的不規(guī)則表面反射和散射，因而到達(dá)接收探頭的聲能明顯減少，主要表現(xiàn)為波幅降低[5]。對(duì)接收的數(shù)據(jù)采用波幅平均值的一半作為判斷樁身有無(wú)缺陷的臨界值，波幅常以分貝值表示：

qd=μq-6

(2)

(3)

式中：μq—振幅平均值；qi—第個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅值；n—測(cè)點(diǎn)數(shù)；qd—判斷樁身有無(wú)缺陷的臨界值。實(shí)踐證明：波幅對(duì)缺陷的存在非常敏感，細(xì)小的缺陷都能使波幅有明顯的變化，所以波幅能很明顯地反映混凝土內(nèi)部的缺陷。

1.2.3PSD判斷

按聲時(shí)—深度曲線相鄰測(cè)點(diǎn)的斜率及相鄰兩點(diǎn)聲時(shí)差值的乘積作為判斷混凝土缺陷的重要依據(jù)，判斷式為[6]：

(4)

式中：Ki—第i測(cè)點(diǎn)的PSD判據(jù)；tci、tci-1—分別為第i測(cè)點(diǎn)和第i-1測(cè)點(diǎn)聲時(shí)；zi、zi-1—分別為第i測(cè)點(diǎn)和第i-1測(cè)點(diǎn)深度。根據(jù)實(shí)測(cè)聲時(shí)計(jì)算某一剖面各測(cè)點(diǎn)的PSD判據(jù)，繪制“判據(jù)值—深度”曲線，然后根據(jù)PSD值在某深度處的突變，結(jié)合波幅變化的情況，進(jìn)行異常點(diǎn)判斷。

2超聲波檢測(cè)鉆孔灌注樁

2.1工程概況

淮陰卷煙廠煙葉倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目三期工程9#、10#煙葉醇化庫(kù)位于淮安市開發(fā)區(qū)鴻海路與膳魔路交匯處，樁基全部為混凝土灌注樁，工程樁總數(shù)為332根，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，樁徑為800mm，樁長(zhǎng)為28.1m，樁頂標(biāo)高為-2.2m～-3.6m。設(shè)計(jì)采用聲波透射法檢測(cè)的樁基在施工時(shí)預(yù)埋三根聲測(cè)管，檢測(cè)數(shù)量為34根，主要檢測(cè)樁身缺陷的位置及影響效果，判定樁身完整性類別。檢測(cè)時(shí)間為2015年5月13日。

2.2檢測(cè)準(zhǔn)備

檢測(cè)前的準(zhǔn)備包括：查看工程相關(guān)資料，了解工程地質(zhì)概況，調(diào)研樁基設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和施工記錄等，排查施工工藝及施工過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，制定具體的檢測(cè)方案。

檢測(cè)時(shí)間應(yīng)滿足混凝土齡期要求，針對(duì)本工程設(shè)計(jì)要求不少于28d。

檢測(cè)前應(yīng)沖洗聲測(cè)管，保證傳感器在全程范圍內(nèi)升降順暢。聲測(cè)管內(nèi)灌滿清水作為耦合劑，如果聲測(cè)管中渾濁水將明顯甚至嚴(yán)重加大聲波衰減和延長(zhǎng)傳播時(shí)間，給聲波檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。

在基樁施工前，根據(jù)樁直徑的大小預(yù)埋一定數(shù)量的聲測(cè)管，作為傳感器的通道。測(cè)試的每?jī)筛暅y(cè)管為一組，通過(guò)水的耦合，超聲脈沖信號(hào)從一根聲測(cè)管中的傳感器中發(fā)射出去，在另一根聲測(cè)管中的傳感器接收信號(hào)，超聲儀測(cè)定有關(guān)參數(shù)并采集存儲(chǔ)。

2.3樁基檢測(cè)

結(jié)合本工程具體實(shí)際情況，采用收、發(fā)傳感器水平同步平測(cè)，上、下兩測(cè)點(diǎn)的設(shè)置為20cm。測(cè)試時(shí)，保證兩個(gè)傳感器同步升降，測(cè)試中，對(duì)收、發(fā)傳感器所在的深度隨時(shí)校準(zhǔn)，其累計(jì)相對(duì)高程誤差控制在20mm以內(nèi)，避免由于過(guò)多的相對(duì)高程誤差而產(chǎn)生較大的測(cè)試誤差。

聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁質(zhì)量中，聲時(shí)和波幅是兩個(gè)重要指標(biāo)，其中波幅對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的反應(yīng)往往比聲時(shí)更具敏感性。波幅是一個(gè)相對(duì)量，而聲時(shí)又是根據(jù)波形的起跳點(diǎn)來(lái)確定的。因此，為了使不同位置處的檢測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性和應(yīng)用價(jià)值，在同一根樁的檢測(cè)過(guò)程中，聲波發(fā)射電壓和放大器增益等參數(shù)應(yīng)保持不變，并進(jìn)行等幅測(cè)試。

對(duì)聲時(shí)值和波幅值的可疑點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行復(fù)測(cè)。對(duì)于聲時(shí)值和波幅值出現(xiàn)異常的部位，應(yīng)采用水平加密、等差同步或扇形掃測(cè)等方法進(jìn)行細(xì)測(cè)，結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴(yán)重程度。

2.4工程檢測(cè)

本次檢測(cè)采取指定檢測(cè)的方式，對(duì)指定范圍內(nèi)的34根樁進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)高為-2.2m～-3.6mm，樁徑為800mm、樁長(zhǎng)28.1m。由于樁基檢測(cè)數(shù)量較多，本文以A-7#、A-19#、A-24#和A-35#樁為例，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)，測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　檢測(cè)基樁超聲波透射檢測(cè)數(shù)據(jù)表

(a)A-7#　　　　　　　　　　(b)A-19#

(c)A-24#　　　　　　　　　　　　(d)A-35#

圖1為A-7#、A-19#、A-24#和A-35#樁四根樁在0～28.1m范圍內(nèi)的波形圖，通過(guò)波形可以判斷樁基的完整性。

2.5檢測(cè)結(jié)果

從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可以看出關(guān)于A-7#、A-19#、A-24#和A-35#樁的檢測(cè)結(jié)果，在樁頂以下0～28.1m范圍內(nèi)樁身完整，各項(xiàng)指標(biāo)(波速、波幅等)正常，均高于臨界值，未發(fā)現(xiàn)特殊異常情況，從圖1中也可以發(fā)現(xiàn)，超聲波形基本處于勻速狀態(tài)，未發(fā)生呈喇叭形、嚴(yán)重畸形、扭曲等現(xiàn)象，表明混凝土質(zhì)量密實(shí)、均勻。

通過(guò)對(duì)所指定范圍內(nèi)34根樁的波速、波幅、PSD值等各項(xiàng)指標(biāo)的綜合分析，所檢測(cè)樁基樁身質(zhì)量較好，全為Ⅰ類樁，均可作為工程樁驗(yàn)收使用。

3結(jié)語(yǔ)

結(jié)合淮陰卷煙廠煙葉倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目三期工程9#、10#煙葉醇化庫(kù)樁基檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)超聲波透射法的工作原理、判斷依據(jù)、檢測(cè)步驟等方面進(jìn)行了分析，對(duì)超聲波透射法的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了介紹，得到了以下結(jié)論：

(1)采用超聲波透射進(jìn)行灌注樁完整性檢測(cè)能夠準(zhǔn)確判斷出樁基是否完整，是一種非常直觀、可靠的樁基缺陷檢測(cè)方法。依據(jù)透射波的初至?xí)r間、波幅能量的衰減程度和波形是否發(fā)生畸變可以達(dá)到判斷樁身的均勻性和完整性的目的。

(2)在現(xiàn)有的超聲波檢測(cè)樁基的評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)方法可以對(duì)樁基混凝土質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)，且可以同時(shí)考慮多個(gè)參數(shù)的共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土樁基的準(zhǔn)確判斷。

(3)從檢測(cè)過(guò)程可以看出，聲測(cè)管發(fā)生傾斜、彎曲會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果，從而影響對(duì)樁身質(zhì)量的判斷，采用曲線擬合的方法對(duì)發(fā)生彎曲的聲測(cè)管管距需進(jìn)行修正后方能使用。

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(責(zé)任編輯：孫文彬)

Application of the Ultrasonic Testing Technologyon the Cast-in-situ Bored Piles

WANG Peng1, FAN Yong1, MA Rui2,Yu-yang3, XU Xiao-dong3*

(1. Huaian Testing Center for Construction Engineering Co., Ltd, Huai'an Jiangsu 223001 China;2.Bureau of Housing and Urban-Rural Develop ment of Guannan, Lianyugang Jiangsu, 225000,China;3. Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223001 China)

Abstract:Velocity and other parameters of ultrasonic wave could show the obvious differences in different media. When ultrasonic wave propagates in concrete, acoustic parameters have high correlations with the density of concrete. According to the acquisitions of acoustic signals and acoustic parameters, the changes of the medium inside the concrete can be found so as to determine the integrity of the bored piles. Taking the bored pile testing of a warehouse as an example, this paper introduced the ultrasonic testing technology in the bored piles, also analyzed the primary theory, test method and discriminating standard of the ultrasonic testing technology in the cast-in-situ bored piles.

Key words:bored pile; concrete; ultrasonic; testing

中圖分類號(hào)：TU473.1+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-7961(2016)01-0077-04

作者簡(jiǎn)介：王鵬(1972- ),男,江蘇淮安人,工程師,主要從事樁基檢測(cè)和工程結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)工作，*為通訊作者。

基金項(xiàng)目：淮安市工業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(HAG2014047)；國(guó)家級(jí)重點(diǎn)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201511049005Z，201511049007Z);

收稿日期：2015-10-20

淮陰工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(HGC1413)