聲波透射法在鉆孔灌注樁完整性檢測中的應(yīng)用

◎魏龍 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

鉆孔灌注樁由于工藝簡單、對周圍環(huán)境友好等優(yōu)點，常常作為樁基設(shè)計的首選。但鉆孔灌注樁施工時相較于預(yù)制樁受外界干擾較多，經(jīng)常出現(xiàn)各種質(zhì)量通病，據(jù)資料統(tǒng)計，鉆孔灌注樁的缺陷率長期處于5%～20%之間，所以對其進行完整性檢測尤為重要。如果樁只是存在輕微缺陷，一般不會對后續(xù)使用造成影響，但出現(xiàn)明顯缺陷或嚴重缺陷，則需要進行修復(fù)處理甚至補樁。目前鉆孔灌注樁完整性檢測最常用檢測方法是低應(yīng)變法，在低應(yīng)變測試時，樁頂受到錘擊，產(chǎn)生的能量隨著傳播距離的增大而衰減，有時很難采集到真實、有效的樁底信號?！豆饭こ袒鶚稒z測技術(shù)規(guī)程》中條文顯示，實際測試時有效樁長（長徑比L/d）需要通過現(xiàn)場試驗來確定，一般情況長徑比通常在30～50之間時檢測效果比較理想。由于低應(yīng)變法存在有效樁長的限制，對判別樁身完整性及樁端狀態(tài)有一定技術(shù)弊端，所以急需另一種檢測方法作為補充，雖然聲波透射法基本原理和低應(yīng)變法相同，但通過預(yù)埋聲測管可自下而上進行全樁長檢測，結(jié)果更為準確、可靠。本文針對鉆孔灌注樁可能出現(xiàn)的缺陷，結(jié)合聲波透射法原理、檢測方法及評價標準、實際應(yīng)用展開論述，旨在總結(jié)規(guī)律，積累寶貴經(jīng)驗。

1.聲波透射法的原理

1.1 基本知識

聲波是一種在介質(zhì)中傳播的機械波，聲波透射法所使用的聲波按照頻率分類歸為超聲波，其頻率范圍在20KHz～100MHz之間，頻域較廣。聲波在介質(zhì)中傳播時，雖然人耳無法感知，但其聲速、聲幅及聲頻是可以通過儀器采集到的，聲速大小受波的類型、介質(zhì)性質(zhì)和邊界條件影響，其中介質(zhì)性質(zhì)（如ρ、E和G）是造成波速變化的內(nèi)因，介質(zhì)E或G越大，波速就越大，而聲幅隨著傳播距離的加長而減少，原因是受介質(zhì)材料粘滯屬性、結(jié)構(gòu)特性和幾何特性影響從而導(dǎo)致了呼吸衰減、散射衰減及擴散衰減，所以當測距過大時，就很難通過儀器采集到有效的聲波信號。

1.2 檢測原理

混凝土由水泥、石子、水、添加劑等材料組成，是一種混合材料組成的非均勻質(zhì)體，鉆孔灌注樁在施工過程中由于各種因素影響往往會出現(xiàn)離析、空洞、夾泥夾砂、斷裂、縮頸等問題，而超聲波在缺陷位置處傳播時，聲阻或傳播路徑都可能發(fā)生變化，如產(chǎn)生反射、散射、繞射等現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致聲幅降低、聲時變大，而這些特征經(jīng)儀器采集后，經(jīng)過計算分析，可根據(jù)其特征及畸變程度對缺陷等級做出判斷。

1.3 儀器設(shè)備的要求

超聲波儀是聲波透射法檢測混凝土質(zhì)量的最基本裝置，我國第一臺超聲儀誕生于20世紀60年代，由同濟大學研發(fā)制造，隨著我國科學技術(shù)的自主創(chuàng)新，研發(fā)超聲波儀目前已更新到了第四代，逐步向智能化、自動化、無線化、多通道一體化發(fā)展，同時彩色CT技術(shù)也逐漸走向成熟，該項技術(shù)能更直接反映缺陷位置、大小及形態(tài)。超聲波儀組成有：①計算機部分，②高壓發(fā)射與控制部分，③程控放大與衰減部分，④A/D轉(zhuǎn)換與采集部分。在規(guī)范中如（TB10218-2008）、（JTG/T F81-012004）（JGJ 106-2014）都對超聲波儀提出了一些技術(shù)要求，主要是對聲時顯示范圍、精度，脈沖信號電壓幅值，采集器模數(shù)轉(zhuǎn)換精度、采樣間距，接收放大器頻帶，最大采集長度等進行規(guī)定，詳細可參閱規(guī)范。

2.聲波透射法的的檢測方法及評價標準

2.1 檢測方法

2.1.1 聲測管布設(shè)

聲測管材質(zhì)要有足夠的剛度和強度，在澆筑混凝土時變形不易過大，且外壁要與混凝土膠結(jié)良好，各聲測管之間在成樁后要盡量保持平行，管口宜高于樁頂10cm左右，聲測管管口需用堵頭進行封堵，防止測試前有異物阻塞管道。實際工程中，運用最多且效果最好的是金屬管。聲測管埋設(shè)根數(shù)應(yīng)根據(jù)直徑大小確定，當樁徑＜100cm時，布設(shè)2根；當樁徑≥100cm且≤160cm時，布設(shè)3根；樁徑＞160cm且＜250cm時，布設(shè)4根；當樁徑≥250cm時，應(yīng)繼續(xù)增加聲測管的數(shù)量。聲測管布置示意圖見圖1。

圖1 聲測管布置示意圖

2.1.2 檢測過程

提前在鋼筋骨架上綁扎或焊接聲測管，聲測管管材需滿足規(guī)范要求，待鉆孔結(jié)束后，檢測成孔質(zhì)量，質(zhì)量合格后下放鋼筋籠，隨即澆筑混凝土，齡期滿足要求后即可進行樁身完整性檢測。檢測前必須注入清水，超聲波儀探頭在樁內(nèi)預(yù)埋聲測管上下自由滑動，方法是把儀器探頭沿聲測管以合適的速度下放或提升，固定間距采集樁身各個截面的聲學參數(shù)，然后在PC端利用專業(yè)分析軟件對聲波數(shù)據(jù)（聲速、聲幅等）進行處理和分析，確定樁身缺陷位置、范圍及大小，最后根據(jù)規(guī)范要求評定樁身完整性等級，一旦出現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ樁，需及時反饋給施工、設(shè)計單位進行處理，保證結(jié)構(gòu)安全。

2.2 評判標準

3.聲波透射法的應(yīng)用

現(xiàn)場測試時根據(jù)發(fā)射換能器和接收換能器高差控制可分為平測、斜測和扇形掃測法，示意圖見圖2。

圖2 測試方法示意圖

當平測時某一平測線出現(xiàn)波形畸變，依據(jù)規(guī)范可判定為缺陷時，需調(diào)整發(fā)射換能器和接收換能器高差變?yōu)樾睖y，再次對可疑位置進行二次測試，如果在眾多斜測線中，只是某條不正常，其余表現(xiàn)一致，基本上可以判斷該缺陷為局部缺陷，樁身缺陷位置則在平測異常線和斜測異常線交叉的地方，如圖3（a）所示。當在平測線異常位置處的測試的斜測線均異常，但穿越異常平測線的斜測線都正常，則說明樁中心混凝土基本沒有問題，缺陷靠近聲測管位置，即樁邊緣位置，有可能縮頸或者測斜管周圍裹泥，如圖3（b）所示。當穿越異常平測線的斜測線也均異常，則說明整個斷面存在缺陷，有可能該處整個截面夾泥夾砂或骨料膠結(jié)不好，存在疏松層，甚至已經(jīng)斷樁，如圖3（c）所示。當樁頂或樁底附近存在缺陷時斜測受限，或單純?yōu)闇p少換能器提拉次數(shù)時，可用扇形掃測，如圖3（d）所示。

圖3 缺陷位置檢測示意圖

通過聲波透射法對鉆孔灌注樁進行完整性檢測，收集了大量工程實測數(shù)據(jù)，對存在缺陷的鉆孔灌注樁，后續(xù)可進行鉆孔取芯驗證，一般而言經(jīng)鉆孔取芯驗證后，與聲波透射法檢測結(jié)果無異。充分驗證了聲波透射法檢測鉆孔灌注樁完整性的準確性?，F(xiàn)分析歸納幾種典型聲波透射法波形波列圖如圖4所示。

圖4 典型聲波透射法波形波列圖

4.結(jié)論

1）聲波透射法在鉆孔灌注樁完整性檢測時具有便捷、快速、準確等優(yōu)點，且該方法不受樁身長度及周圍地形影響，檢測范圍可貫穿鉆孔灌注樁整個樁身；

2）通過對鉆孔灌注樁完整性檢測能夠及時發(fā)現(xiàn)問題樁，明確缺陷位置、大小及嚴重程度，預(yù)防質(zhì)量隱患，為施工提供技術(shù)保障；

3）隨著中國科學技術(shù)的快速發(fā)展，目前用于聲波透射法的儀器更新?lián)Q代較快，測試精度不斷提高，同時該理論越來越成熟，檢測工程師的水平也得到顯著提高，鉆孔灌注樁完整性檢測將會得到更多的設(shè)備支持和技術(shù)支持，為鉆孔灌注樁施工質(zhì)量保駕護航。