橋梁混凝土超聲波檢測(cè)技術(shù)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

李文忠

（安徽高速公路試驗(yàn)檢測(cè)科研中心有限公司， 安徽 合肥 23000）

0 引言

橋梁工程的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)質(zhì)量安全也提出了更高要求。要確保樁基基礎(chǔ)部分的安全性與穩(wěn)定性，還需采用適宜可靠的技術(shù)手段，對(duì)其進(jìn)行全方位的檢測(cè)，提高質(zhì)量控制工作的落實(shí)成效。在樁基檢測(cè)中引入超聲波檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)δ繕?biāo)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，獲取精準(zhǔn)真實(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果，為后續(xù)施工工序的順利開展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 橋梁樁基混凝土超聲波檢測(cè)技術(shù)原理

借助于超聲脈沖發(fā)射源，向混凝土內(nèi)部射入調(diào)頻彈性脈沖波，然后通過(guò)專門的接收系統(tǒng)，對(duì)脈沖波在混凝土內(nèi)部傳播過(guò)程中呈現(xiàn)出的波動(dòng)特征進(jìn)行接收，并予以準(zhǔn)確記錄，這就是超聲波檢測(cè)技術(shù)的基本原理。將超聲波檢測(cè)法應(yīng)用到樁基檢測(cè)中，主要是結(jié)合波的傳播特點(diǎn)，其中混凝土樁基起到彈性介質(zhì)的作用，當(dāng)樁身各橫截面或內(nèi)部穿過(guò)超聲波時(shí)，即可獲取相應(yīng)的參數(shù)信息，與檢測(cè)儀器相配合，即可有效地處理脈沖信號(hào)形式的檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)混凝土樁基結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否連續(xù)、完整進(jìn)行評(píng)估與判斷[1]。

2 樁身混凝土質(zhì)量與超聲波聲參量的關(guān)系

超聲波透射是超聲波檢測(cè)技術(shù)的核心所在，在整個(gè)樁基檢測(cè)過(guò)程中，其主要根據(jù)混凝土的變形能力、強(qiáng)度性能等物理學(xué)特征指標(biāo)，得出相應(yīng)的聲參量，作為判斷橋梁混凝土質(zhì)量情況的理論依據(jù)。在混凝土中，超聲波多沿著縱軸方向，貫穿整個(gè)內(nèi)部橫截面，通過(guò)以信號(hào)發(fā)出的方式將對(duì)應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)反饋出來(lái)，對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，便應(yīng)根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容，對(duì)樁身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性、強(qiáng)度等予以判斷。在混凝土起到傳播介質(zhì)的作用時(shí)，其會(huì)將在內(nèi)部傳播的部分聲波予以吸收，一方面聲波會(huì)繼續(xù)擴(kuò)散，另一方面擴(kuò)散的強(qiáng)度會(huì)逐步衰減。在應(yīng)用超聲波技術(shù)檢測(cè)樁基的過(guò)程中，各類聲參量的獲取與混凝土質(zhì)量間存在著相互作用。超聲波在混凝土內(nèi)部沿著縱向進(jìn)行傳播的過(guò)程中，聲波可能呈現(xiàn)出的現(xiàn)象主要分為三種，一是反射，二是繞射，三是衰減，這主要說(shuō)明混凝土內(nèi)部屏障對(duì)聲波產(chǎn)生干擾，直觀反映出了缺陷的存在與實(shí)際狀態(tài)。由于樁基檢測(cè)階段內(nèi)形成的聲參量存在較大差異，因而便于對(duì)混凝土內(nèi)部的不同位置處的連貫性、完整度等予以判斷，確保樁基結(jié)構(gòu)存在的質(zhì)量安全問(wèn)題能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。除此以外，要想判斷樁基的質(zhì)量性能是否完好，還需結(jié)合獲取的波形曲線形態(tài)，若主頻峰值突出，且形態(tài)圓滑，波現(xiàn)象不存在明顯異常，則說(shuō)明混凝土樁基內(nèi)部不存在嚴(yán)重缺陷。

3 橋梁樁基混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)方法

檢驗(yàn)混凝土樁基的連貫性、完整性過(guò)程中，對(duì)超聲波透射法的應(yīng)用最為常見。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)階段，多會(huì)使用到雙孔法，工作人員需要對(duì)聲測(cè)管預(yù)埋的具體數(shù)量（如表1）、主要位置等予以明確（如圖1），通過(guò)平測(cè)、斜測(cè)等方式進(jìn)行認(rèn)真觀測(cè)[2-3]。

在選擇聲測(cè)管時(shí)，應(yīng)結(jié)合橋梁樁基混凝土工程施工的實(shí)際情況，優(yōu)先考慮對(duì)鑄鐵管材質(zhì)管材的使用。在正式使用前，需尤為重視對(duì)其管壁厚度的掌控，鑄鐵管接頭部分需平整、牢固地焊接，確保管內(nèi)存有充足的空間，為換能器的自動(dòng)伸縮提供便利條件。在聲測(cè)管的布置作業(yè)階段，需選定鋼筋籠的主筋，將其牢固地綁扎在上面。

聲波儀器的內(nèi)部組成較為復(fù)雜，除了計(jì)算機(jī)、聲測(cè)管等基本部分，還包括發(fā)射、接收轉(zhuǎn)換器等（如圖2）[4]。

圖1 布置聲測(cè)管

表1 聲測(cè)管的埋設(shè)要求

圖2 超聲波測(cè)樁工作原理

4 橋梁樁基混凝土超聲波檢測(cè)技術(shù)的界定標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)例

4.1 界定標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)橋梁工程樁基動(dòng)測(cè)工作，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已明確了技術(shù)規(guī)程，對(duì)于檢測(cè)人員來(lái)說(shuō)，需要嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)超聲波反饋的波形特點(diǎn)、聲參量等數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確地評(píng)估并判斷樁身內(nèi)部的缺陷程度，結(jié)合給出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，劃分混凝土基樁的完整性等級(jí)。例如，若樁基外觀完整度較高、混凝土樁身不存在明顯缺陷，其整體結(jié)構(gòu)的使用功能未受到負(fù)面影響，觀察波幅、波形不存在顯著的異動(dòng)現(xiàn)象，則可以判定此類樁基為Ⅰ類樁。若樁基具有較為完整的外觀形態(tài)，混凝土結(jié)構(gòu)功能受到的影響也較為輕微，波幅值不超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，波形正常的情況下樁身使用正常，則劃定此類樁為Ⅱ類樁。

若觀察到樁基外觀部分存在的缺陷較為明顯，混凝土結(jié)構(gòu)的承載力不強(qiáng)，受到較為明顯的破壞與影響，且波幅值比臨界值小，波形存在嚴(yán)重的變形現(xiàn)象，則應(yīng)判定此類樁基為Ⅲ類樁。若是樁基的功能性受損較為嚴(yán)重，且外觀也存在十分明顯的缺陷情況，整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載性能大幅下降，波形出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象，波幅值不在臨界范圍內(nèi)，則劃分此類樁基為Ⅳ類樁[5]。

4.2 工程檢測(cè)實(shí)例

利用超聲波檢測(cè)技術(shù)，探測(cè)某2000cm 樁身長(zhǎng)度的嵌巖樁，發(fā)現(xiàn)從樁頂向下至樁底結(jié)束的整個(gè)范圍內(nèi)，各個(gè)階段的聲速值、波幅值都不存在明顯異常，處于正常范圍內(nèi)，因而根據(jù)樁身完整性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可以判定其為Ⅰ類樁。借助于取芯檢測(cè)法探測(cè)樁基，可以得知整個(gè)樁基樁身具有較為完好的膠結(jié)狀況，因此樁基的質(zhì)量安全達(dá)到合格基準(zhǔn)。

借助超聲波探測(cè)技術(shù)探測(cè)某1750cm 樁身長(zhǎng)的嵌巖樁，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在較為嚴(yán)重的缺陷情況，從樁頂向下至樁底的部分位置處，波幅值、聲速值等參數(shù)量均小于臨界值，呈現(xiàn)出異常的波形狀態(tài)。根據(jù)樁身完整性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，判定這一混凝土樁基為Ⅲ類樁。取芯檢測(cè)此樁基可以得知，整個(gè)樁身范圍內(nèi)部分位置處的混凝土并未完全膠結(jié)，且部分位置處的混凝土存在離析現(xiàn)象，這說(shuō)明這一混凝土樁基的質(zhì)量情況并不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

利用超聲波技術(shù)檢測(cè)某1900cm 樁身長(zhǎng)的嵌巖樁，通過(guò)初測(cè)、復(fù)測(cè)兩階段的全面檢測(cè)工作后，發(fā)現(xiàn)其在局部位置處出現(xiàn)較為明顯的缺陷現(xiàn)象，從樁頂向下至樁底部分的整個(gè)范圍內(nèi)，部分位置處剖面的聲速值、波幅值都小于標(biāo)準(zhǔn)的臨界值，但若是觀察其波形，則可以發(fā)現(xiàn)沒(méi)有發(fā)生明顯的異?，F(xiàn)象。雖然樁身內(nèi)的缺陷是明顯存在的，但并未對(duì)整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用帶來(lái)嚴(yán)重影響。取芯檢測(cè)這一樁基，可以得知混凝土膠結(jié)呈現(xiàn)較為良好的狀態(tài)，因此其質(zhì)量安全水平達(dá)標(biāo)，屬于Ⅱ類樁。

5 超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用注意事項(xiàng)

在橋梁混凝土樁基施工的過(guò)程中，需針對(duì)聲測(cè)管的使用采取相應(yīng)的保護(hù)措施，避免外部因素?fù)p壞聲測(cè)管，如果其存在異常情況，則在實(shí)際檢測(cè)樁基的過(guò)程中可能導(dǎo)致設(shè)備探頭被卡住，難以向樁底部分深入。與此同時(shí)，砂漿、混凝土等施工材料也可能滲入到聲測(cè)管內(nèi)，引發(fā)堵管現(xiàn)象。在養(yǎng)護(hù)處理混凝土的施工階段內(nèi)，需在聲測(cè)管的管口部分處覆蓋，一方面是防止異物落入聲測(cè)管內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致管道被堵塞，另一方面是避免雜物滲入換能器，導(dǎo)致出現(xiàn)耦合故障問(wèn)題。

在超聲波聲測(cè)管的埋設(shè)施工階段內(nèi)，需使得每個(gè)聲測(cè)管間保持對(duì)稱平行的狀態(tài)，尤其是在聲測(cè)管內(nèi)部，探頭應(yīng)可以在同步狀態(tài)下進(jìn)行自由伸縮，技術(shù)人員能夠參照樁基的直徑大小，對(duì)適宜埋設(shè)的聲測(cè)管數(shù)量進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。例如在樁徑大小不超過(guò)80cm 的情況下，適合設(shè)置兩根聲測(cè)管；若樁徑大小超出80cm，但不超過(guò)160cm，應(yīng)控制聲測(cè)管數(shù)量在三根左右；若樁徑大小超出160cm，那么埋設(shè)的聲測(cè)管數(shù)量最少不少于四根。

在成樁后，需要將其靜置28 天，然后再利用超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。在正式開展檢測(cè)作業(yè)前，應(yīng)開挖處理樁頭部位，將表面磨平，為后續(xù)檢測(cè)作業(yè)的順利進(jìn)行奠定良好基礎(chǔ)。

除了換能器，數(shù)據(jù)采集裝置也是超聲檢測(cè)設(shè)備中的重要組成部分。在組織開展檢測(cè)作業(yè)前，需嚴(yán)格地校對(duì)所用檢測(cè)儀器的性能參數(shù)，并借助于律定試驗(yàn)的方式，對(duì)檢測(cè)過(guò)程中波形、聲時(shí)的清晰度、準(zhǔn)確性予以評(píng)估和判斷。參照成樁的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)換能器的精度情況予以確定即可。

分析超聲頻譜，是樁基檢測(cè)工作中的要點(diǎn)環(huán)節(jié)，其主要是對(duì)不同頻率分量的不同幅度進(jìn)行解析，在此基礎(chǔ)上，獲取準(zhǔn)頻率幅度的最大值，以截取分析的方式解析不同波列長(zhǎng)度，最終得出頻譜對(duì)應(yīng)的曲線圖。在對(duì)頻譜進(jìn)行分析的階段內(nèi)，技術(shù)人員需要充分考量到疊加波、漏波等因素，綜合考慮分辨率等條件因素帶來(lái)的影響，確保獲得準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)結(jié)果。對(duì)樁基結(jié)構(gòu)的質(zhì)量性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，工作人員需要科學(xué)地選擇采樣頻率，保證頻譜信號(hào)分析的精準(zhǔn)性。

6 超聲波檢測(cè)技術(shù)的局限性

將超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到樁基檢測(cè)作業(yè)中，一般情況下可以順利地將混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的缺陷情況快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)，但受到技術(shù)條件的制約，其主要能夠?qū)筛暅y(cè)管之間混凝土的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并評(píng)估、判定其完整性，難以對(duì)樁基擴(kuò)徑范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)存在的缺陷問(wèn)題有效地檢測(cè)出來(lái)。因而在樁基檢測(cè)的實(shí)際工作過(guò)程中，超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有不可忽視的局限性。技術(shù)人員在檢測(cè)樁基部分混凝土的質(zhì)量情況時(shí)，亦或是檢測(cè)嵌巖樁、支撐樁的完整性時(shí)，均可以以使用超聲波技術(shù)方法為基礎(chǔ)，與低應(yīng)變反射這一檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)檢測(cè)獲取樁端支撐數(shù)據(jù)參數(shù)后，再以橋梁工程樁基施工的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求為基準(zhǔn)，對(duì)樁基的承載性能是否達(dá)標(biāo)予以精準(zhǔn)判定。

7 結(jié)束語(yǔ)

在橋梁樁基檢測(cè)作業(yè)中引入對(duì)超聲波技術(shù)的應(yīng)用，有利于提高檢測(cè)工作的效率與準(zhǔn)確度，也便于現(xiàn)場(chǎng)操作。與此同時(shí)，超聲波的穿透性較強(qiáng)，符合大多數(shù)橋梁工程樁基檢測(cè)工作的規(guī)范要求，確保技術(shù)人員可以獲取更為真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，全方位把握混凝土結(jié)構(gòu)中缺陷的范圍、位置等具體情況。