基樁聲波透射法聲速低限值探討

仇道剛，陳江林，李俊啟

（南京銘創(chuàng)測控科技有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

目前，在基樁檢測的三大行業(yè)規(guī)范里，都提到了混凝土聲速低限值。在 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規(guī)范》第 55 頁 10.5.4，第一條“應根據(jù)本地區(qū)的經(jīng)驗，結(jié)合預留同條件混凝土試件或鉆芯法獲取的芯樣的抗壓強度與聲速對比試驗，分別確定樁身混凝土聲速低限值VL和混凝土試件的波速平均值VP”；在 TB 1021－2019《鐵路工程基樁檢測規(guī)程》第 19 頁 5.4.3，第一條“當檢測剖面n個測點的聲速值普遍偏低且離散性很小時，宜采用聲速低限值判據(jù)。即實測混凝土聲速值低于混凝土聲速低限值時，可判定為異?！保辉?JTG/T 3512－2020《公路工程基樁檢測技術規(guī)程》第 63 頁 10.4.7，第一條“應根據(jù)預留同條件混凝土試件或鉆芯法獲取的芯樣試件的抗壓強度與聲速對比試驗，結(jié)合本地區(qū)經(jīng)驗，分別確定樁身混凝土聲速的低限值VL和平均值VP”。三大行業(yè)規(guī)范均把聲速低限值作為輔助判據(jù)。筆者發(fā)現(xiàn)，在實際工程檢測中，因沒有明確的辦法確定聲速低限值，故關于聲速低限值的部分條文僅僅停留在字面上。

1 聲速低限值概念

關于聲速低限值，筆者查閱了大量資料，并沒有找到混凝土聲速低限值具體定義，也找不到一篇關于聲速低限值的論文。理論上，聲速低限值是指同一地區(qū)、同一標號、按照同樣的配合比、同樣的材料在相同的養(yǎng)護條件下養(yǎng)護成型的混凝土，其聲速的極限最小值。要確定聲速低限值，要有一定的樣本數(shù)量，數(shù)量是多少比較合理，目前也沒有可查的依據(jù)。筆者走訪了一些權威的科研機構，也沒有找到任何一家單位對混凝土聲速低限值進行過研究，也就是說混凝土聲速低限值按照什么樣的方法確定，沒有公認的依據(jù)。

2 樁身聲速不等于混凝土聲速

樁身聲速不等于混凝土聲速的主要原因有兩個：①聲測管不平行；②徑向換能器在聲測管中不居中。這兩個因素會導致測距或聲時出現(xiàn)誤差，影響聲速的計算?；炷谅曀偈侵该總€測點的測距能夠準確測量，精確到毫米；每個測點的聲時準確測量，精確到微秒，測距除以聲時計算出來的聲速，混凝土聲速可以一定程度地反映混凝土的強度、密實性。

2.1 聲測管不平行

樁身聲速是指按照基樁聲波透射法計算得到的聲速［1］，考慮聲測管不平行的因素，樁身聲速的每個測點的測距不是準確測量值，樁身聲速的來源如式（1）、（2）所示。

式中：tci為第i個測點的聲時值，us；ti為第i個測點的聲時測量值，us；t0為測試系統(tǒng)零聲時，us；t′ 為聲測管、水的聲時修正值，us；vi為第i個測點的聲速，km/s；l為樁頂面兩聲測管凈間距，mm。

l是聲測管管口的凈間距，非每一個測點的實際測距，基樁聲波透射法是假設聲測管是平行的，只有假設聲測管平行，這個方法才成立。但是實際情況，聲測管不是平行的，工程上聲測管會有所傾斜，而且各種情況都會有：有局部傾斜的，有整體傾斜管口變小的、有整體傾斜管口變大的，這就導致l不是每一個測點真實距離，真實測距可能比l大，也可能比l小。從某種意義上說，樁身聲速跟混凝土聲速的差異，是由聲測管的平行度決定的，而且有時候聲測管平行度偏差極大［2］，這也是基樁完整性判定不看聲速絕對值大小，只看聲速相對變化的原因。近幾年的技術發(fā)展，對于輕微管斜的數(shù)據(jù)，可以進行管斜修正，這樣可以得到更準確的聲速值。但是，管斜修正僅能在輕微管斜的時候有較好的效果，嚴重管斜的數(shù)據(jù)無法得到良好的修正效果。另外，聲波透射檢測的一大優(yōu)勢就是可以不等基坑開挖、破除樁頭即可進行檢測，然而此時測量的聲測管管距跟實際管距偏差很大，如圖 1 所示。這種情況雖然對樁身完整性判定不會產(chǎn)生影響，但是，測得的樁身聲速與混凝土聲速會有很大的差異。

圖1 基坑未開挖的聲測管

2.2 聲測管傾斜工程案例

例如，某房建工程樁聲波實測數(shù)據(jù)，樁號 52，樁徑800 mm，設計強度 C30，埋設 2 根聲測管，樁長 8.2 m。聲波檢測結(jié)果：聲速平均值 2.6 km/s，聲速臨近值 2.512 km/s，聲速標準差 0.027。聲速-深度曲線、波幅-深度曲線均正常，所有測點聲速和聲幅均大于臨近值（見圖 2），深度-聲速曲線無明顯管斜現(xiàn)象。聲速整體偏低，由于檢測時基坑沒有開挖，判斷因聲測管管口部分變小所致。數(shù)據(jù)曲線均正常，初步判定為Ⅰ類，后經(jīng)過取芯驗證，證實了聲波判定結(jié)果是正確的。但是，此樁的樁身聲速遠低于混凝土聲速低限值，如果以樁身聲速低于混凝土聲速低限值來判定此樁是問題樁，顯然是不正確的。

圖2 聲速整體偏低曲線圖

2.3 徑向換能器在聲測管中不居中

考慮聲測管直徑比徑向換能器尺寸大的因素，徑向換能器在聲測管中不是一直居中的，則每個測點的聲時測量值不是準確值，會影響樁身聲速的計算?；鶚堵暡ㄍ干浞ㄔ谟嬎阆到y(tǒng)零聲時時，是以徑向換能器在聲測管里居中為標準計算的。但是，實際檢測時，徑向換能器在聲測管里是自由晃動的，如圖 3 所示。兩個徑向換能器因自由晃動導致在最遠端和最近端時的距離差 Δl如式（3）所示。

圖3 徑向換能器不居中距離差示意圖

式中：v水為水的聲速，km/s。

常用聲測管分為 50、54、57 mm 三種規(guī)格，以外徑 54 mm、壁厚 2 mm、徑向換能器直徑 25 mm、水的聲速 1.48 km/s 為例計算。

徑向換能器在最遠端和最近端的聲時差：

換言之，由于徑向換能器在聲測管里的隨機晃動，造成的樁身聲時誤差最大為 22.52 %，考慮零聲時計算時，是以徑向換能器在聲測管中居中計算，樁身聲速誤差為聲時誤差的一半。以固定樁徑舉例進行計算，是為了更簡潔、清晰地表達觀點。實際樁徑越小，這個誤差越大；聲測管越粗，誤差越大；徑向換能器直徑越小，誤差越大。為了減小這種隨機誤差，徑向換能器上宜按裝扶正器。實際工程上，扶正器磨損很快，因徑向換能器的隨機晃動對完整性判定不會產(chǎn)生影響，導致磨損失效的扶正器不會被及時更換。也有很多廠家的徑向換能器出廠不帶扶正器。綜上所述，徑向換能器在聲測管中不居中，給樁身聲速與混凝土聲速之間帶來 10 % 左右的誤差。

3 齡期對樁身聲速的影響

為了提高效率，更高效地服務于工程，對基樁超聲檢測齡期的要求，近幾年是縮短的趨勢。2020 年新修的 JTG/T F 81－01－2004《公路工程基樁動測技術規(guī)程》對超聲檢測的齡期要求是“被檢樁混凝土強度不得低于設計強度的 70 % 且≥ 15 MPa，齡期不應小于 7 d”。建筑行業(yè)和鐵路行業(yè)的現(xiàn)有規(guī)范對齡期要求跟公路現(xiàn)有規(guī)范差異不大，也就是說基樁超聲檢測的時候，混凝土齡期是達不到 28 d 的，混凝土的聲速跟齡期基本遵循冪函數(shù)關系［3］（見圖 4）。常說的某標號的混凝土聲速、聲速低限值一般是養(yǎng)護 28 d 后，強度達到 100 % 時進行測試的，因為 28 d 后的混凝土的聲速趨于穩(wěn)定，以 28 d 后的聲速作為混凝土聲速，具有代表性。由此可見，基樁超聲檢測時的樁身聲速是必定小于混凝土聲速的。

圖4 混凝土齡期-聲速曲線

4 結(jié)語

樁身聲速是在基樁聲波透射法的特有條件下得到的，雖然對缺陷判定能夠提供有效依據(jù)，但是，不能簡單地把樁身聲速當成混凝土聲速來對待。由于在測距不是準確值、徑向換能器在聲測管里晃動造成的聲時測量誤差、齡期對樁身聲速有影響等客觀條件下，使得樁身聲速和混凝土聲速還是有差異的。測距不是準確值的影響，隨機性強，影響大于后兩個因素。目前，對聲速低限值的研究太少，沒有公認的確定方法，憑個人經(jīng)驗掌握，差異可能會很大。將一個不熟悉的參量引入基樁聲波透射法完整性評價體系，完全靠檢測人員的經(jīng)驗來掌握，在相對成熟的基樁聲波透射法檢測技術里，顯得不是很協(xié)調(diào)。此文僅是拋磚引玉，希望能對基樁聲波透射法完整性評價體系的完善起到一點作用。Q