超聲波透射法在建筑樁基缺陷檢測中的應(yīng)用

周武

（湖南保利房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410000）

1 概述

樁按成樁方式不同，可分為預(yù)制樁和灌注樁兩大類。灌注樁具有承載力大、施工過程對樁身無損害、施工技術(shù)簡單、造價相對低廉、施工噪音小等優(yōu)勢，已成為建筑物普遍采用的基礎(chǔ)形式[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，目前我國年平均成樁量超過300萬根，工程建設(shè)中樁基造價約占總造價的30%。然而，樁基技術(shù)在推廣普及的同時，樁基設(shè)計、施工、運營期間的問題也逐漸暴露出來[4-6]。施工工序相對較多，工藝流程要求相互銜接要緊密，且為隱蔽工程。另外，施工過程中影響樁基質(zhì)量的人為因素、外界環(huán)境較多。施工中常遇到的樁基缺陷問題有樁基強(qiáng)度不足、縮頸、夾泥、離析、斷樁、樁底沉渣等，對上部工程的影響巨大[7]。據(jù)不完全統(tǒng)計，國外樁基的樁基缺陷率約在5%～10%，我國由于受多種因素的影響，樁基缺陷率約在10%～20%[8-9]。因此，樁基缺陷的質(zhì)量問題成為制約我國樁基使用、發(fā)展的重要障礙，己經(jīng)引起工程界各相關(guān)部門的高度重視。

2 超聲波透射法檢測機(jī)理

聲波傳到不同介質(zhì)分界面時，一部分經(jīng)界面反射回到原來的介質(zhì)中，而另一部分發(fā)生折射進(jìn)入另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，聲波經(jīng)過界面發(fā)生反射、折射后傳播方向、聲壓、聲強(qiáng)等均會發(fā)生改變。聲波的反射與折射分別服從反射定律和折射定律。假設(shè)聲波從Z1介質(zhì)經(jīng)界面反射與折射后部分進(jìn)入Z2介質(zhì)，入射聲波與法線的夾角為α，反射聲波與法線的夾角為β，折射聲波與法線的夾角為γ，則：

式中：v1表示聲波在介質(zhì)Z1中的傳播速度；v2表示聲波在介質(zhì)Z2中的傳播速度。

由于超聲波透射檢法需預(yù)埋聲測管，聲測管同鋼筋籠一起下到孔內(nèi)，故該方法一般只能檢測灌注樁，檢測內(nèi)容為樁身完整性。通過在擬測樁基中預(yù)埋聲測管，將聲測管灌滿清水作為檢測耦合劑，把發(fā)射和接收換能器分別放入聲測管內(nèi)，使發(fā)射和接收換能器始終保持一定的位置關(guān)系進(jìn)行測量，記錄不同深度的聲學(xué)參數(shù)，通過后續(xù)分析或借助某些數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)手段對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷樁身混凝土的完整性。超聲波在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，波形、波速等聲學(xué)參數(shù)變化不大。相對樁身混凝土缺陷（如：混凝土空洞、斷樁）而言，樁身混凝土密實、完整的樁均勻性較好，在其內(nèi)部傳播的超聲波聲學(xué)參數(shù)變化不會太大。而當(dāng)樁身混凝土中存在明顯缺陷時，超聲波波速、波幅、波形等參數(shù)都會發(fā)生明顯變化，這是因為超聲波傳播過程遭遇較大的樁體部分缺陷時，會發(fā)生反射、折射和散射，或者繞過缺陷傳播，聲能明顯衰減。

3 工程概況

選取某住宅小區(qū)的高層建筑群，設(shè)置2～3層地下室。按《巖土工程勘察規(guī)范》(2009版)劃分，建筑物工程重要性等級為一級，場地復(fù)雜程度為二級，地基復(fù)雜程度為一級，巖土工程勘察等級為甲級。對場區(qū)進(jìn)行成樁可行性分析，對比了混凝土預(yù)應(yīng)力管樁、旋挖鉆孔灌注樁和人工挖孔灌注樁的優(yōu)勢和缺點，綜合考慮了施工質(zhì)量、施工效率和施工成本等因素，最終選用了人工挖孔灌注樁的樁基形式。

根據(jù)鉆探揭露，場地內(nèi)埋藏的地層主要由①雜填土層、②淤泥層、③粉質(zhì)粘土、④細(xì)砂、⑤圓礫、⑥全風(fēng)化板巖、⑦強(qiáng)風(fēng)化板巖、⑧中風(fēng)化板巖組成，其野外特征自上而下分?jǐn)⑷缦拢?/p>

①雜填土：褐黃色、黃色，稍濕－濕，松散－稍密狀，主要由粘性土、建筑垃圾、生活垃圾新進(jìn)回填形成，均勻性較差，未完成自重固結(jié)，含碎磚、混凝土塊、碎石25%以上。該巖土層鉆孔揭露的一般厚度0.50 ～18.70 m，平均厚度8.34 m。

②淤泥：青灰色，成分為粘土質(zhì)，含有機(jī)質(zhì)，軟塑，飽和。場地少部分地方有分布，該巖土層鉆孔揭露的一般厚度0.60 ～2.40 m，平均厚度1.52 m該巖土層鉆孔揭露的一般厚度1.30 ～4.00 m，平均厚度2.72 m。

③粉質(zhì)粘土：黃褐色，硬塑，稍濕,網(wǎng)紋狀結(jié)構(gòu)，含鐵錳結(jié)核，稍有光澤，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部含有卵石。場地少部分地方有分布，該巖土層鉆孔揭露的一般厚度0.60 ～6.30 m，平均厚度2.16 m。

④細(xì)砂：黃褐色，中密，飽和，成分主要為細(xì)砂質(zhì)，少量粉砂、粘土質(zhì)，渾圓狀，級配良好，含少量粘性土、礫石，無光澤反應(yīng)。該層僅C區(qū)東北部有分布。

⑤圓礫：灰黃色，飽和，中密，充填物為砂、粘土質(zhì)，大于2mm的顆粒含量約占60～70%，粒徑多為1～3cm，大者大于5cm，呈橢圓形，滾圓度2～3級，母巖成分為石英砂巖、石英巖，燧石等。場區(qū)局部分布，該巖土層鉆孔揭露的一般厚度0.50 ～8.40 m，平均厚度3.80 m。

⑥全風(fēng)化板巖：褐黃色，極軟巖石，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，多呈塊狀、碎塊狀、土狀，巖芯用手可折斷，遇水易軟化、易碎。全場地分布；該巖土層鉆孔揭露的一般厚度1.10 ～10.00 m，平均厚度4.74 m。

⑦強(qiáng)風(fēng)化板巖：黃褐色、青灰色，變余結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造；節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖芯極破碎，多呈碎塊狀、碎片狀，手可折斷，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅴ級，RQD值極差。全場地分布；該巖土層鉆孔揭露的一般厚度1.90 ～10.90 m，平均厚度5.31 m。

⑧中風(fēng)化板巖：青灰色，少量黃褐色，變余結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造；節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯較破碎，多呈碎塊狀、短柱狀，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅴ級，RQD值差。場區(qū)內(nèi)均有分布，本次勘察未鉆穿該層，揭露深度為4.90 ～20.60 m。

4 樁基質(zhì)量超聲波法檢測

4.1 檢測方法

超聲波透射法在現(xiàn)場有平測斜測和扇形掃測三種基本方法，首先采用平測法對受測樁基進(jìn)行全樁長檢測，若發(fā)現(xiàn)接收到的聲學(xué)參數(shù)存在異常，則針對異常區(qū)域采用斜測、扇形掃測等進(jìn)一步細(xì)查，根據(jù)不同檢測方法獲得的參數(shù)綜合確定樁身質(zhì)量（完整性）。三種檢測方法示意圖見圖1。

圖1 平測、斜測與扇形掃測示意圖

4.2 檢測設(shè)備

4.2.1 檢測裝置

檢測裝置按照換能器的提升方式可分為人工操作式、半自動式及全自動式裝置，除常規(guī)檢測裝置具有的超聲波檢測儀、換能器、探頭及管線組成等設(shè)備外，全自動式樁基檢測裝置還配有探頭自動升降裝置、控制裝置和數(shù)據(jù)測量處理系統(tǒng)，自動化和智能化程度高。

4.2.2 超聲波檢測儀

作為灌注樁樁身完整性檢測的重要裝置，超聲波檢測儀的作用是不斷產(chǎn)生電脈沖信號，激發(fā)換能器，發(fā)射換能器向擬測樁體發(fā)射超聲波，超聲波傳播經(jīng)過樁身混凝土后被接收換能器接收并將其轉(zhuǎn)化為電信號，超聲波檢測儀接收并顯示由接收換能器發(fā)出的信號。

4.2.3 換能器

換能器的基本原理是正、反壓電效應(yīng)，發(fā)射換能器的作用是將電能轉(zhuǎn)化為聲能，從而向被測樁體混凝土發(fā)射超聲波。接收換能器的作用是接收傳經(jīng)樁身混凝土后的超聲波，并把聲信號轉(zhuǎn)為電信號，發(fā)送給超聲波檢測儀。

4.2.4 聲測管

聲測管作為換能器升降的通道，管內(nèi)充滿清水，檢測過程中要求聲測管保持垂直，其傾斜度需保持在誤差允許范圍內(nèi)。實際檢測中宜選用鋼管作聲測管而非塑料管，這與兩種材料的聲學(xué)特性有關(guān)，且塑料管容易斷裂、彎曲，影響檢測精度。聲測管底端應(yīng)封閉良好，保證不漏水、管內(nèi)應(yīng)無異物、不堵管，各聲測管管口高程保持一致，均高出樁頂300～500mm左右，當(dāng)受檢樁樁長較大需接長聲測管時，聲測管之間采用螺紋連接而不宜焊接。

4.3 檢測程序

超聲波透射法混凝土灌注樁檢測步驟主要有聲測管預(yù)埋、現(xiàn)場準(zhǔn)備、正式檢測等。

4.3.1 聲測管預(yù)埋

樁基檢測所需聲測管數(shù)目與被測樁徑大小息息相關(guān)。為避免聲測管間距過小引起較大誤差，超聲波透射法測量對象適用的最小樁徑應(yīng)不小于600～800mm。而當(dāng)樁徑很大時，若聲測管數(shù)目較少，則測量面積所占樁基截面積比例較小，測量盲區(qū)過大，也會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此對大直徑樁必須增加聲測管數(shù)。

4.3.2 現(xiàn)場準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作包括查找工程資料，檢測各儀器設(shè)備是否正常、聲測管埋設(shè)是否合格，一切完畢后向聲測管內(nèi)灌滿清水，作為檢測耦合劑，然后依檢測要求設(shè)置各儀器設(shè)備參數(shù)。

4.3.3 正式檢測流程

現(xiàn)場準(zhǔn)備就緒后便開始正式檢測工作。采用平測法進(jìn)行全樁長普測，若發(fā)現(xiàn)聲學(xué)參數(shù)異常點則可采用斜測或扇形掃測加密測量，確定樁身缺陷的規(guī)模和位置，通過后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理評價樁身完整性。

4.4 超聲波法檢測

受檢樁基為本工程3#樓第一批樁，共30根，對其中10根進(jìn)行超聲波透射法抽檢，受檢樁基基本情況如表1所示。

表1 受檢樁基情況表

依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014），采用超聲波透射法，通過預(yù)埋聲測管，對受檢樁基的樁身完整性進(jìn)行檢測，并對樁身缺陷種類、缺陷程度（規(guī)模）及位置作出判斷。檢測示意圖如圖2所示。

圖2 樁基礎(chǔ)超聲波試驗示意圖

檢測過程中，每1m樁長記錄一次數(shù)據(jù)，故檢測數(shù)據(jù)繁多，現(xiàn)僅將檢測結(jié)果不合格的1號樁基的部分檢測數(shù)據(jù)列舉出來，見表2。

表2 樁身超聲波透射法檢測數(shù)據(jù)表

從表2可以看出，1號樁檢測樁長為29.5 m，在23m以上和26m以下時，三個剖面的聲時與波幅都均勻，無明顯突變。其波速、幅度和聲時均在在小范圍內(nèi)波動，表明23m以上和26m以下樁身無明顯缺陷，整體均勻性好。而對于23m～26m深的樁身，其波速、幅度和聲時變化均很大，表明該樁存在較嚴(yán)重缺陷，完整性差，可定為IV類樁。

4.5 鉆芯法檢測

考慮到該樁在工程中的重要性，為了驗證樁身缺陷的具體位置，對同一批樁用鉆芯法進(jìn)行核驗。實驗的樁基鉆芯法采用XY-2B型鉆機(jī)，采用金剛石巖芯鉆探。進(jìn)行鉆取工作前，對鉆具嚴(yán)格對中，按規(guī)范嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺。對混凝土芯樣表面的觀察和芯樣抗壓強(qiáng)度的分析，用來評定樁身完整性、樁底沉渣厚度、樁端持力層及樁身混凝土強(qiáng)度效果。對2號～10號合格樁基鉆孔取心，其芯樣如圖3所示。由圖3可知，混凝土芯樣連續(xù)、完整，呈柱狀，膠結(jié)好，骨料分布均勻，斷口吻合，對芯樣抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測量，其結(jié)果滿足要求，該樁基可判為I類樁。

圖3 2號樁樁基芯樣圖

不合格樁基（1號樁基）芯樣如圖4所示。從圖4芯樣可以看出，該樁體出現(xiàn)了嚴(yán)重的離析和夾泥現(xiàn)象，混凝土膠結(jié)極差，部分樁身混凝土呈松散狀，樁體缺陷嚴(yán)重影響樁身結(jié)構(gòu)和承載力，判定為Ⅳ類不合格樁。

圖4 1號樁樁基芯樣圖

4.6 受檢樁基完整性綜合評價

結(jié)合超聲波透射法和鉆芯法對受檢樁基的檢測結(jié)果，可以形成對受檢樁基準(zhǔn)確的完整性評價，見表3。

表3 受檢樁基完整性評價表

5 結(jié)論

本文以某建筑樁基的質(zhì)量檢測為依托，利用了超聲波透射法和鉆芯法對受檢樁基進(jìn)行了檢測，主要得到如下結(jié)論：①用聲波透射法檢測發(fā)現(xiàn)1號樁身混凝土三個剖面均在樁頂下約23m-26m區(qū)域內(nèi)存在明顯缺陷。②用鉆芯法確認(rèn)1號樁在樁頂下約24.75 m區(qū)域內(nèi)存在嚴(yán)重離析和夾泥，對于其余樁基，其芯樣混凝土芯樣連續(xù)、完整，呈柱狀，膠結(jié)好，骨料分布均勻，斷口吻合，強(qiáng)度滿足要求。