船廠建設(shè)用灌注樁聲波透射法檢測(cè)技術(shù)研究

林　宏

(上海瑞博置業(yè)有限公司， 上海 200120)

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船廠建設(shè)用灌注樁聲波透射法檢測(cè)技術(shù)研究

林宏

(上海瑞博置業(yè)有限公司， 上海 200120)

摘要在船廠建設(shè)中，復(fù)雜的地質(zhì)狀況為樁基的檢測(cè)帶來(lái)難度。一種高精度的檢測(cè)方法，聲波透射法在灌注樁的樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用。但儀器設(shè)備等硬件設(shè)施以及在數(shù)據(jù)處理、分析判斷等軟件方面，仍然存在許多局限性與不足。通過(guò)深入分析現(xiàn)有技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行全面的調(diào)查與追蹤，本文通過(guò)硬件和軟件兩方面介紹了混凝土灌注樁聲波透射法檢測(cè)的最新技術(shù)進(jìn)展，以期相關(guān)技術(shù)人員借鑒歸納后能有一定的幫助作用。

關(guān)鍵詞灌注樁完整性聲波透射法

0前言

在船廠建設(shè)中，車間、船臺(tái)和船塢通常采用混凝土灌注樁以滿足承載力要求和抗地下水侵蝕要求。參考一般船廠的選址多為河灘或海灘圍堰回填建造的人工地基，其土層構(gòu)造和建設(shè)工況復(fù)雜。結(jié)合考慮混凝土灌注樁施工工藝復(fù)雜，樁身混凝土在水下環(huán)境中硬化條件差故而成型條件復(fù)雜。一般在工程中常見其發(fā)生樁身缺陷，從而對(duì)建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)安全及耐久性構(gòu)成威脅。

一般在工程中常見其發(fā)生樁身缺陷，從而對(duì)建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)安全及耐久性構(gòu)成威脅。樁的完整性檢測(cè)事關(guān)樁身承載力能否達(dá)到設(shè)計(jì)值充分發(fā)揮承載力的要求。在樁檢測(cè)完整性方面著重考察樁是否存在斷樁、空洞和樁身混凝土離析等缺陷。近年來(lái)在工程樁的檢測(cè)中開始廣泛應(yīng)用聲波透射法作為檢測(cè)手段，如在船廠建設(shè)時(shí)常遇到的灘涂、圍堰回填地基等地質(zhì)狀況，檢測(cè)成果的準(zhǔn)確度較高。在檢測(cè)中能通過(guò)讀片判斷缺陷發(fā)生的具體深度以及其在樁身截面的分布狀況。在缺陷的判斷時(shí)對(duì)比其他檢測(cè)方法更為全面，檢測(cè)范圍可涵蓋樁身的各個(gè)橫截面段。

1使用超聲波檢測(cè)法檢測(cè)樁基的技術(shù)原理

1.1超聲波檢測(cè)技術(shù)原理介紹

超聲波屬于機(jī)械波，其物理基礎(chǔ)是機(jī)械振動(dòng)和波動(dòng)，同時(shí)又屬于彈性波測(cè)試方法中的一種。在固體介質(zhì)中的彈性波傳播理論是超聲波檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。其方法是在樁內(nèi)預(yù)埋兩根或兩根以上的聲測(cè)管，在管中注滿清水作為聲波傳遞的媒介，在檢測(cè)時(shí)同時(shí)將發(fā)射、接收換能器插入兩根聲測(cè)管內(nèi)。超聲波由發(fā)射換能器出發(fā)穿透兩管間混凝土后被接收換能器接收，由儀器中測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出超聲波脈沖在樁體內(nèi)穿行的時(shí)間、波幅值和脈沖主頻等一系列參數(shù)。經(jīng)過(guò)技術(shù)處理可確定樁身混凝土的強(qiáng)度，判斷樁身混凝土質(zhì)量實(shí)際有效檢測(cè)范圍為聲波脈沖從發(fā)射換能器到接收換能器所掃過(guò)的面積。

1.2樁體質(zhì)量的判別方法

混凝土樁由混凝土材料在水下環(huán)境硬化成型，其天然材質(zhì)為非均質(zhì)性，表觀狀況具有多空隙材料的特點(diǎn)。在實(shí)際工程中由于成樁質(zhì)量受到地質(zhì)影響的作用較大，因此需要通過(guò)多種檢測(cè)方法進(jìn)行綜合分析，具體方法歸納如下：

1.2.1概率法判據(jù)

“概率法”是由南京水利科學(xué)研究院的學(xué)者提出的。這種方法的技術(shù)路線是通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)大面積網(wǎng)格測(cè)的方法在檢測(cè)數(shù)據(jù)中查找出統(tǒng)計(jì)的異常值。將該異常值存在的區(qū)間認(rèn)定為缺陷區(qū)。其理論依據(jù)認(rèn)為雖然樁身混凝土自身的不均勻特性會(huì)造成聲測(cè)值存在一定的離散性，但當(dāng)樁身為完整樁時(shí)其測(cè)量值仍會(huì)符合正態(tài)分布規(guī)律；當(dāng)樁身存在缺陷時(shí)，由樁身缺陷造成的測(cè)量值突變、異常化則無(wú)法呈正態(tài)分布?；谏鲜稣J(rèn)知，對(duì)聲速檢測(cè)數(shù)據(jù)的常用處理方法是，在基樁的測(cè)試數(shù)據(jù)中首先識(shí)別來(lái)自缺陷部位的異常測(cè)量點(diǎn)，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)時(shí)將之剔出，從而得到完整性部分的數(shù)據(jù)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特征圖樣，在下一步工作中以此統(tǒng)計(jì)特征做為該基樁完整性的判定依據(jù)。

1.2.2斜率與差值乘積判據(jù)(PSD判據(jù))

這種方法的技術(shù)路線是利用樁身在缺陷區(qū)由于自身的不連續(xù)性或材質(zhì)的密度差異的特點(diǎn)，在缺陷區(qū)的邊緣聲測(cè)數(shù)據(jù)必然產(chǎn)生明顯的差異化，導(dǎo)致缺陷點(diǎn)的聲時(shí)曲線斜率增大。根據(jù)這種特點(diǎn)來(lái)研究判斷樁身缺陷的存在以及缺陷的性質(zhì)和缺陷的程度。PSD法的優(yōu)點(diǎn)是不受樁身非缺陷因素的影響，能夠準(zhǔn)確反映樁身的孔洞離析等現(xiàn)象。

1.2.3多因素概率法判據(jù)(NFP判據(jù))

這種方法的技術(shù)路線是綜合參考多項(xiàng)參數(shù)(如波幅、頻率、聲時(shí)等)對(duì)樁身做缺陷分析和判斷，從而提高分析、判斷的成功率。原鐵道部大橋局科研所提出了這種(波幅、頻率、聲時(shí))概率分析法。NFP判據(jù)通過(guò)波幅、頻率、聲時(shí)三種參數(shù)平均設(shè)定權(quán)重進(jìn)行分析。其作用主要在某特定深度結(jié)合波速臨界值來(lái)判斷該深度位置的混凝土的密實(shí)程度，以判定混凝土在施工過(guò)程中的灌注質(zhì)量。

1.2.4波幅判別法

在工程測(cè)量中因考慮到后續(xù)波會(huì)受到疊加波在衍射作用下的干擾，進(jìn)而干擾測(cè)量結(jié)果。一般情況下將首波波幅定為度量聲波的波幅可盡量減少干擾，能反映受測(cè)樁身混凝土的真實(shí)性狀。一般采用的波幅判據(jù)式為Api

2工程實(shí)測(cè)中遇到的問(wèn)題與解決方法

2.1聲測(cè)管預(yù)埋的影響

聲測(cè)管的預(yù)埋一般布局形式有三種，如圖1所示。圖中陰影面積為檢測(cè)區(qū)域。結(jié)合工程實(shí)際情況根據(jù)樁徑大小的不同采用不同的布局形式，以船廠為例因樁直徑普遍大于2.5 m且對(duì)單樁承載力要求較高故而一般采用布局Ⅲ的形式加密布置聲測(cè)管。然而在實(shí)際工作中由于加密布置聲測(cè)管勢(shì)必與樁身內(nèi)的鋼筋發(fā)生占位沖突，若過(guò)密布置聲測(cè)管會(huì)影響樁身的混凝土灌注質(zhì)量。在工程試樁的檢測(cè)中有發(fā)現(xiàn)因聲測(cè)管布局過(guò)密引起的檢測(cè)結(jié)果顯示為混凝土離析的現(xiàn)象。因此應(yīng)盡量?jī)?yōu)化和控制聲測(cè)管的布置數(shù)量。

圖1　聲測(cè)管的預(yù)埋

2.2聲測(cè)管施工工藝新技術(shù)

傳統(tǒng)聲測(cè)管一般采用套管焊接或螺口連接，現(xiàn)場(chǎng)施工不太方便，同時(shí)聲測(cè)管的接頭位置容易變形或漏漿，為了保證工程質(zhì)量，如今施工工藝開始采用法蘭式、鉗壓式、扣壓式、鎖扣式等新技術(shù)。同傳統(tǒng)方法相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝方便，通用性強(qiáng)，連接堅(jiān)固，防滲性好。在船廠的工程中普遍采用了鉗壓式的鏈接方式。避免了因漏漿造成聲測(cè)管堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3換能器問(wèn)題解決方法

目前在聲波檢測(cè)中使用的換能器大多為壓電式，利用壓電片受電信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)射聲波，即逆壓電效應(yīng)，其發(fā)射能量有限，適用于短距離測(cè)量。當(dāng)兩換能器間距較大時(shí)，由于聲波衰減較快，產(chǎn)生的幅值較低，首波信號(hào)不易判別，在讀取初始時(shí)刻時(shí)，可能導(dǎo)致較大誤差或誤讀。針對(duì)壓電式換能器長(zhǎng)距離聲波穿透能力下降的問(wèn)題，采取以下措施：通常在超聲波CT的掃描過(guò)程中，若僅用兩個(gè)換能器操作顯得工作量過(guò)大，但若將多個(gè)換能器組合運(yùn)用，使某個(gè)換能器先發(fā)射超聲波，而對(duì)面的若干個(gè)換能器都能接收并顯示聲時(shí)讀數(shù)，就可以顯著提高檢測(cè)的效率。

換能器長(zhǎng)度及直徑偏大，在聲測(cè)管上下移動(dòng)時(shí)容易卡管。JF系列換能器長(zhǎng)度顯著縮短(僅130 mm～165 mm)，直徑顯著減少(22 mm)。在換能器內(nèi)裝置了性能優(yōu)良的前置放大器，保證了接收信號(hào)有足夠的幅度和信噪比。同時(shí)聲測(cè)管的直徑大為減小。

3三維成像技術(shù)在樁身檢測(cè)中的發(fā)展

目前的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)只能判斷缺陷的粗略位置和范圍，不能給定缺陷的形狀和大小。

計(jì)算機(jī)層析成像方法屬于無(wú)損透視檢測(cè)的范疇，通常采用某種射線源，從樁身外部使用檢測(cè)設(shè)備采集的投影數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)的計(jì)算模型以及圖像仿真技術(shù)。在計(jì)算機(jī)上生成被檢測(cè)樁內(nèi)部的三維圖像，實(shí)現(xiàn)被探測(cè)樁身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征描述。

聲波透射法檢測(cè)基樁質(zhì)量或樁端注漿效果的二維成像一般只能提供聲測(cè)管之間的豎向剖面，如圖2所示。檢測(cè)結(jié)果呈平面圖形在讀片時(shí)需結(jié)合多個(gè)截面的圖形判斷樁身缺陷的位置和大小，在實(shí)際工程運(yùn)用中帶來(lái)諸多不便。

圖2　聲測(cè)管之間豎向剖面的二維成像

運(yùn)用層析成像技術(shù)對(duì)實(shí)測(cè)的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算，并構(gòu)筑出三維圖像所顯示的缺陷形狀、存在的深度位置和缺陷的大小是聲波透射法將來(lái)的發(fā)展方向?，F(xiàn)階段國(guó)外同行業(yè)公司已經(jīng)開發(fā)了較為成熟的采集系統(tǒng)以及相匹配的三維成像和切面顯示的數(shù)據(jù)處理軟件。

美國(guó)OLSON公司生產(chǎn)的CSL樁基跨孔聲波檢測(cè)系統(tǒng)，如果采集了足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)，就可以獲得缺陷范圍及形狀的3D圖像。使用者便能獲得樁內(nèi)任何缺陷的大小、形狀、嚴(yán)重程度的圖片。該軟件不僅能制作出內(nèi)部混凝土狀況的二維、三維圖片，還可以對(duì)包括混凝土內(nèi)部等缺陷進(jìn)行不同角度的動(dòng)畫演示。獲得缺陷區(qū)域的不規(guī)則形狀，能夠更好地判斷聲測(cè)管之間缺陷的范圍和嚴(yán)重程度。工程師和相關(guān)人員可以據(jù)此決定是否需要進(jìn)行加固，哪里需要加固。

圖3顯示了某樁其樁身缺陷的分布范圍圖形。該圖形可對(duì)缺陷處位置的橫截面做平面的放大顯示。從而計(jì)算出缺陷面積在相應(yīng)截面位置的比值，使得缺陷數(shù)值可實(shí)現(xiàn)數(shù)量化。例如在樁身對(duì)應(yīng)11 m深度的三處缺陷，其截面分布范圍主要集中在測(cè)管3、5、7附近， 其缺陷率可計(jì)算為8%左右。

圖3　缺陷三維顯示

4結(jié)論

與其他檢測(cè)方法相比，超聲檢測(cè)可通過(guò)預(yù)埋聲測(cè)管而不破壞樁身做無(wú)損檢測(cè)且不受樁長(zhǎng)和樁徑的限制。檢測(cè)信號(hào)穩(wěn)定便于操作分析，其準(zhǔn)確性滿足工程檢測(cè)的需要。隨著三維仿真技術(shù)的發(fā)展以及在樁基超聲檢測(cè)領(lǐng)域的不斷研究，新的超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)于提高樁基試驗(yàn)檢測(cè)的工效具有重要作用。

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作者簡(jiǎn)介：林宏(1980-)，男，工程師，從事工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)、加固新技術(shù)和實(shí)例研究。

中圖分類號(hào)U673

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

Research of Bored Pile Integrity Test by Ultrasonic Wave Method in Shipyard Building

LIN Hong

(Shanghai Ruibo Real Property Co., Ltd., Shanghai 200120, China)

AbstractThat's hard with difficulty to test pile, which under complicated geological condition in a shipyard. Ultrasonic wave method has been widely used in bored pile integrity test, but there are many limitations in software or hardware. Recent development is introduced by the author, which can provide a reference for the relevant personnel.

KeywordsBored pilePile integrityUltrasonic wave method