混凝土橋梁檢測中聲波無損技術研究

付偉良

（江西省交通運輸科學研究院有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

混凝土橋梁在運營的過程中，往往受到氣候、車輛荷載等因素影響，橋梁的耐久性與安全性下降，并且橋梁結構的疲勞壽命也會受到影響。在這種背景下，橋梁就會出現(xiàn)各種病害問題。故而采取聲波無損檢測技術對橋梁性能進行檢測評估，生成檢測報告以及評估報告，能夠為橋梁病害治理奠定基礎，進而延長橋梁的使用壽命。

1 聲波檢測技術原理

聲波檢測技術主要是通過聲音傳播的特點進行橋梁損壞部位的檢測，是目前廣泛應用的無損檢測技術類型。該檢測技術容易受到外部因素干擾和影響，且環(huán)境中聲音種類多，影響也比較大，所以聲波檢測技術的核心是過濾掉非結構傳播的聲音，然后再通過聲音的傳播情況，準確地判斷損傷部位，為返修處理提供依據(jù)。就目前來說，應用最為廣泛的聲波檢測技術是聲波無損檢測技術。聲波檢測技術需要使用設備發(fā)射回聲波，通過設備確定聲波傳播的狀態(tài)，測定頻率的變化，以快速確定損傷部位。該技術的應用依據(jù)橋梁應力結構材料傳播原理，與超聲波檢測類似。聲波通常應用聲波轉換器獲取應力波，或者應用橋梁機械力形成沖擊回聲波，能夠實時反映橋梁損壞的部位，對于橋梁質量提升有重要意義。

2 聲波波速與混凝土橋梁結構強度之間的關系

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，聲波在混凝土結構內(nèi)傳播的過程中，波速、頻率都會不斷變化，通過設備獲取這些變化信息，并且進行數(shù)字化的處理，從而快速地判斷出橋梁內(nèi)部結構構造是否存在問題，了解病害問題，以便于展開維修處理?；炷翗蛄航Y構強度不同，聲波波速也會有不同的表現(xiàn)，通過設備直接捕捉聲波波速的數(shù)據(jù)信息，快速做出檢測與分析，以掌握混凝土橋梁病害問題的部位，為返修處理提供依據(jù)。

3 應用聲波檢測技術進行橋梁樁基檢測的方法

聲波檢測技術通常也可以叫作聲波透射成像技術，將其應用到樁基檢測中，具體包含下述幾種技術。

3.1 樁內(nèi)單孔透射法

該方法通常聯(lián)合鉆芯法，作為輔助檢測方法使用。樁內(nèi)單孔透射法的工作原理是在樁基內(nèi)預留1 個單孔，并且安裝換能器，該設備具備發(fā)射、接收功能。在混凝土橋梁樁基檢測工作中，利用增加隔音材料的方式完成內(nèi)部的隔音處理。換能器發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)過耦合劑發(fā)射到混凝土內(nèi)，然后返回到不同的接收器上，設備在獲取聲學參數(shù)以后能夠對混凝土內(nèi)部情況進行判斷。但是也要注意，如果混凝土內(nèi)部預埋鋼管等結構，會對聲波發(fā)射和接收造成不利的影響，影響檢測的精度。因此，樁內(nèi)單孔透射法并不能應用在樁內(nèi)有鋼管的結構中。

3.2 樁外孔透射法

該方法主要應用在無法安裝換能器孔洞結構的樁基情況下，樁外孔透射法能夠判斷樁基是否存在缺陷問題。在檢測工作實施中，需要在臨近樁基的土層結構上鉆一個測量孔。該測量系統(tǒng)內(nèi)主要包含發(fā)射換能器、接收換能器、聲波檢測儀等設備。在安裝操作環(huán)節(jié)，將發(fā)射換能器靠近樁基的頂部，在外部土層的孔洞上安裝接收換能器，此時獲取的聲波是經(jīng)過混凝土與土層結構后形成。樁外孔透射法的檢測比較簡單，檢測環(huán)節(jié)不會損壞樁基結構，但是在檢測的過程中，會影響土層衰減。所以在檢測時，需要選擇應用功率較高的發(fā)射器裝置，并且不能在樁基長度較大的情況下檢測；在技術應用的過程，只能確定樁基是否存在斷樁、縮頸等問題，如果檢測剖面有一定質量問題，則無法及時檢測發(fā)現(xiàn)，精度還有待提升。因此，樁外孔透射法應該結合實際情況選擇應用，以滿足檢測標準的要求。

3.3 跨孔透射法

在混凝土橋梁檢測的過程中，該方法是比較常見的檢測方式。該技術應用時，需要在樁體結構內(nèi)預埋2 根聲測管。同時在檢測工作實施中，首先在管道內(nèi)通入清水，并且于2 根管道內(nèi)分別安裝發(fā)射換能器、接收換能器。而后，聲波脈沖經(jīng)過發(fā)射換能器，穿越混凝土與耦合劑傳輸?shù)浇邮掌鲀?nèi)，使其可以接收聲波數(shù)據(jù)。雖然該方法檢測前需要預埋2 根聲測管，比較煩瑣，但是能得到精確的檢測數(shù)據(jù)，應用優(yōu)勢非常明顯。檢測時，利用發(fā)射換能器與接收換能器對樁基結構內(nèi)的質量進行檢查，以判定樁基是否存在質量問題。此外，在檢測的過程中，還能讓發(fā)射換能器和接收換能器之間形成高度差，讓測量聲波能夠形成一定的斜角。測定時，倘若內(nèi)部存在裂紋或是異物，可以通過調(diào)整高差角度對結構進行交叉測量，這樣獲取的數(shù)據(jù)相對精確。此外，跨孔透射法可以采用固定一點，移動一點的方式，形成扇形的測量范圍，快速掌握大量的測量數(shù)據(jù)，促進測量精確性的提升，結果也更具可靠性。

4 基于實際工程的測量和數(shù)據(jù)分析

4.1 工程概況

某大型橋梁項目的建設總長度為1.1km，設計形式為4×20m 的混凝土橋梁。橋梁總計設計有44 根樁基，長度范圍為1200～2800mm。選取鉆孔灌注樁樁基進行檢測，樁徑尺寸為2.8m，樁體長度為20m，內(nèi)部預埋4 根聲測管，在施工結束4 周后開始檢測工作。

4.2 檢測準備

在聲波檢測之前，做好檢測準備工作對提升檢測效率與質量有重要作用。

第一，技術調(diào)研。首先對橋梁樁基的特點進行深入分析，發(fā)現(xiàn)該工程預埋的4 根聲測管布設形狀為正方形，分析布局形式發(fā)現(xiàn)采用跨孔透射法比較合適。故而在具體技術上結合以往的工作經(jīng)驗，確定了技術的應用形式。同時為了能夠消除疊加波給測量精度造成的影響，在技術設定中，加大測試技術的頻率覆蓋范圍，且制定滿足現(xiàn)場測量的測量方法。

第二，加強環(huán)境控制。在現(xiàn)場檢測中，定期了解樁基固化的情況，確保達到聲波檢測的標準要求，并且對樁頭進行開挖使樁頭表面平整，為檢測工作順利進行奠定基礎；將聲測管內(nèi)雜物清理干凈，消除不利因素的影響。

第三，選擇合適的檢測設備。應用超聲波儀、徑向振動換能器作為重要的檢測設備。在工程檢測中，選取ZBL-U5600 便攜式超聲儀，應用范圍比較廣，技術比較先進。同時該技術適應性比較強，可以在很多環(huán)境下應用，能夠快速檢測混凝土的樁基缺陷，準確判斷樁基是否完整，還能夠測定多項物理參數(shù)。

4.3 現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測是核心工作內(nèi)容，對檢測效果有直接的影響，因此，要做好下述工作：

其一，聲測管平行測量。對各個聲測管進行檢測，確定是否達到平行的狀態(tài)。在該檢查中發(fā)現(xiàn)，4 根聲測管并不平行，但是誤差沒有超出規(guī)定要求，處于合理范圍內(nèi)。

其二，聲測管的間距檢測，同時還要確保聲測管在樁基內(nèi)與外壁的間距合格。經(jīng)過測量確定，聲測管間距為2600mm。

其三，聲測管直徑57mm、壁厚3.5mm。由于管道壁厚并不會對測量結果產(chǎn)生過大的影響，所以壁厚數(shù)據(jù)預留，作為后續(xù)誤差分析使用。在檢測工作開始后，先進行評測。在測量工作實施中，應用同步提升發(fā)射換能器與接收換能器的方法測量。

為了避免存在過大的誤差，提升時應用水平儀控制。在發(fā)射波控制中，為了能夠提高測量的準確性，在該環(huán)節(jié)要做好頻率與振幅的調(diào)節(jié)，控制發(fā)射換能器的頻率，以檢測儀的結果作為調(diào)整振幅的基礎。檢測后，發(fā)現(xiàn)存在異常問題，記錄高度數(shù)據(jù)，第一組測量結束后，其余管道實施兩兩測量，依據(jù)得到的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)模型，并且對測量結果進行定量分析，從而得出最終的結論。

4.4 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析中，要從下述幾個方面出發(fā)：聲速、數(shù)據(jù)和PSD（power spectral density，功率譜密度），經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，可以確定樁基質量是否合格。由于工程檢測的數(shù)據(jù)比較多，因此選取部分進行分析，部分檢測結果見表1。

表1 檢測結果（部分）

在測量的環(huán)節(jié)，平測的衰減標準為6dB，檢測中發(fā)現(xiàn)一處的衰減稍微超出6dB 平均值，系統(tǒng)標記為疑似缺陷區(qū)域。在今后的斜角測量以及扇形測量中，確定基本的范圍，同時還要明確缺陷情況，處于正常的范圍內(nèi)。根據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，斷面在0～18m 的范圍內(nèi)，聲波、聲速、PSD 值處于正常范圍內(nèi)，說明這2 個聲測管樁體間距合格。在18.8～120m 區(qū)間，聲速稍微降低，但是還處于規(guī)定誤差范圍內(nèi)，并且承載性能檢測合格，這部分數(shù)據(jù)變化并沒有對樁基的質量產(chǎn)生更大的影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，檢測后樁基質量性能合格，達到國家標準I 類，滿足運行標準。

5 超聲波檢測樁基的注意事項

其一，在聲測管埋設作業(yè)中，確保安裝的距離符合要求，并且按照對稱、平行的原則進行設置，確保探頭在管道內(nèi)部可以自由活動，符合測量的標準要求；樁基結構的直徑、密度等參數(shù)作為選擇聲測管數(shù)量的依據(jù)，在設置時需要達到檢測標準的要求。如果樁徑在800mm 以內(nèi)，則設定2 根聲測管；如果樁徑超過1600mm，需要布置4 根以上的聲測管；如果樁徑處于800～1600mm 范圍內(nèi)，則需要安裝3 根聲測管。

其二，在混凝土結構樁基檢測中，對于混凝土齡期有明確的要求。通常需要在混凝土灌注施工結束后，齡期超過14d 后才能開始檢測工作，否則將無法準確地判定混凝土樁基的缺陷，對檢測精度造成不利影響。

其三，鋼筋籠主筋、聲測管穩(wěn)定的連接，禁止采取焊接作業(yè)方式，可以應用鉛絲捆綁的方式，相鄰2 道鉛絲保持3m 的距離，主筋周邊要布置U 形定位部件。對鋼筋籠吊裝環(huán)節(jié)加強控制，灌注環(huán)節(jié)發(fā)生碰撞的情況，容易造成聲測管歪斜的問題，極易產(chǎn)生堵管的情況；根據(jù)設計方案的要求，確定合適的鑄鐵管厚度參數(shù)，可以應用剛度性能較高的聲測管；對于鑄鐵管的連接部位，采用焊接方式，焊接強度性能合格，沒有焊接缺陷。

其四，超聲波檢測儀的核心部件是換能器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)規(guī)范化標準要求，做好全面檢測工作，聲時準確、波形清晰，換能器精度達到規(guī)定的要求，換能器重量符合規(guī)范要求。

其五，在超聲波樁基檢測工作實施中，在內(nèi)部灌注足夠的清水，潔凈度合格。如果不合格，會造成強度衰減，還會延長傳播時間，對于最終檢測精度造成不利影響。通過超聲波技術進行混凝土質量問題的檢測，在樁身結構檢測的環(huán)節(jié)，只能對聲測管之間的混凝土結構開展檢測，所以在應用中，會有部分混凝土結構無法檢測，導致不能全面了解整個樁基的質量。比如，聲測管周邊泥土包住聲測管，檢測參數(shù)存在異常，但是發(fā)現(xiàn)樁基完整性合格，所以局部存在缺陷問題時，可以通過鉆芯法進行檢測，也可以輔助以低應變法檢測，綜合多種分析方法，才能準確地獲取樁基缺陷問題，對判定樁基的質量產(chǎn)生積極的意義。

6 檢測現(xiàn)場的處理

橋梁樁基檢測工作開始前，做好充足的準備工作極為重要，這是檢測工作順利進行的關鍵。加強樁身部位的清理工作，表面沒有浮漿、雜質，消除表面因素的影響；確定設備安裝位置后，對安裝部位進行打磨處理，達到整潔、平整的要求。根據(jù)操作規(guī)范和要求，正確使用各種檢測儀器設備，發(fā)揮出儀器設備的作用。在儀器使用中，落實設備的維護和保養(yǎng)措施，確保儀器設備性能合格；分析材質強度與硬度參數(shù)，采取科學合理的應對措施，有針對性地處理現(xiàn)場狀況，使得檢測工作順利實施，檢測數(shù)據(jù)達到精度要求；現(xiàn)場交通運輸通道通暢，確保儀器設備、人員可以順利地進入現(xiàn)場，為檢測順利實施奠定基礎。

7 結語

結合實際案例，分析超聲波檢測技術在橋梁檢測的應用方法。經(jīng)過總結表明，該檢測技術操作簡單，檢測數(shù)據(jù)精度高，如果單一應用聲波透射法檢測，并不能確定抗壓性能參數(shù)，所以還要聯(lián)合其他技術混合使用。雖然超聲波檢測技術有著較高的先進性，但是不能過度依賴，應多種技術綜合使用，才能確保檢測數(shù)據(jù)達到精度準確的要求，對橋梁工程質量提升產(chǎn)生積極意義。