聲波技術(shù)在混凝土橋梁檢測中的應(yīng)用

劉濱

（江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330013）

0 引言

混凝土橋梁檢測作為一項系統(tǒng)性的工作，通過應(yīng)用聲波檢測技術(shù)，能夠在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，明確結(jié)構(gòu)存在的問題，為混凝土橋梁后期維護工作奠定基礎(chǔ)。

1 聲波檢測技術(shù)實現(xiàn)原理

橋梁樁基檢測環(huán)節(jié)，應(yīng)用超聲檢測技術(shù)進行，利用超聲設(shè)備完成檢測，快速確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)缺陷問題，便于提升橋梁質(zhì)量水平。通過超聲設(shè)備直接向混凝土樁基結(jié)構(gòu)發(fā)射高頻脈沖彈性聲波，經(jīng)過結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生反射，再利用精密度高的接收設(shè)備獲取信號，進而快速地掌握聲波在樁基結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳輸情況，通過計算和分析，得出是否存在缺陷的結(jié)論。聲波檢測技術(shù)檢測樁基的工作原理見圖1。

圖1 聲波檢測樁基混凝土原理

在檢測工作中，把聲波檢測器聲測管線安裝到樁基一側(cè)上，將設(shè)備上的發(fā)射、接收探頭與聲測管進行連接，在管道內(nèi)部注入耦合劑，一般是清水。設(shè)備按照特定的周期發(fā)射電脈沖信號，然后在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換成為符合需要的高頻彈性聲波。樁基混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)進行脈沖的傳輸，利用設(shè)備直接獲取脈沖的頻率、頻譜、波形等信息，快速判斷出缺陷具體的數(shù)據(jù)信息，并通過設(shè)備分析數(shù)據(jù)信息，進而得出缺陷發(fā)生的位置、缺陷具體情況以及影響參數(shù)等，并判斷出強度等信息。

2 聲波透射技術(shù)

2.1 樁內(nèi)單孔透射法

該方法通常聯(lián)合鉆芯檢測方式同時使用，以提升檢測效率和水平。應(yīng)用樁內(nèi)單孔透射法，一般需要在樁基內(nèi)部預(yù)留一個單孔，安裝一個換能器，該裝置能夠接收、發(fā)射信號。在檢測工作中，檢測內(nèi)部安裝隔音材料實現(xiàn)隔離處理，發(fā)射聲波后，利用耦合劑直接穿越到混凝土內(nèi)，最后再返回到接收器上，利用聲學參數(shù)可以快速地掌握樁基結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)。如果樁基內(nèi)部存在鋼管，會對測量質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，所以應(yīng)根據(jù)實際情況選擇確定方案，提升檢測質(zhì)量和效果。

2.2 樁外孔透射法

該方法通常應(yīng)用在沒有設(shè)置換能器的情況下，可以獲取較為準確的檢測效果。在測量工作的實施中，一般需要在樁體結(jié)構(gòu)的外部土層內(nèi)設(shè)置一個測量孔，系統(tǒng)內(nèi)主要包含發(fā)射、接收換能器和聲波檢測儀。系統(tǒng)安裝需要將發(fā)射換能器安裝到樁基頂部，空洞內(nèi)安裝接收換能器，通過接收系統(tǒng)可以快速地掌握樁基、土層內(nèi)聲波變化形態(tài)。樁外透射法的優(yōu)勢是操作簡單，還能保護樁基的完整性，但是在具體的操作中，其聲波衰減的速度很快，對發(fā)射器的功率要求較高，且不能應(yīng)用到長樁基測量中。此外，該方法只能應(yīng)用在斷樁、縮頸等質(zhì)量問題檢測中，而如果灌注樁的剖面尺寸不規(guī)則，容易導(dǎo)致檢測出現(xiàn)較大的偏差，所以應(yīng)根據(jù)實際情況，合理選擇應(yīng)用。

2.3 跨孔透射法

該方法應(yīng)用比較普遍的是聲波透射檢測法，檢測開始前在樁基內(nèi)安裝兩根聲測管。檢測工作過程中，在管道內(nèi)部注入清水作為耦合劑，在管道內(nèi)分別安裝發(fā)射、接收換能器。檢測開始時，工作人員開啟設(shè)備將聲波發(fā)射出去，經(jīng)過管道內(nèi)清水傳播到接收換能器，確定具體的檢測范圍。從實際情況分析，跨孔透射法應(yīng)用的基礎(chǔ)是兩根聲測管，雖然安裝較為煩瑣，但應(yīng)用時有明顯的優(yōu)勢，檢測靈活、方便，數(shù)據(jù)精度高。在具體的檢測過程中，需要根據(jù)檢測的要求同時提升接收、發(fā)射換能器的高度，然后逐一進行檢測。此外，利用接收、發(fā)射換能器存在的高度差，將聲波制作為規(guī)定斜角。如果測量時發(fā)現(xiàn)樁基內(nèi)有裂紋或者異物，應(yīng)及時調(diào)整高差，得出不同聲波網(wǎng)，實現(xiàn)裂紋點的交叉測量，快速獲取精度較高的測量數(shù)據(jù)。測量人員可以固定一點，移動另外一點，形成扇形測量區(qū)域，獲取檢測信息，數(shù)據(jù)精度高、準確性好。

3 混凝土橋梁檢測聲波檢測技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 橋梁混凝土樁基檢測準備

3.1.1 聲波檢測管線埋設(shè)

聲波檢測工作開展前，先進行管線的埋設(shè)施工，這樣可以保證換能設(shè)備通道正常工作，得出準確檢測數(shù)據(jù)信息。目前檢測管線通常是金屬材質(zhì)的線路，通過螺紋連接形成，管線內(nèi)直徑比換能設(shè)備外直徑小15mm 左右。聲波檢測中，管線多制作成鋼筋籠，采取綁扎施工方式，設(shè)置在不低于樁身300mm 的位置，預(yù)防有雜物進入到管道內(nèi)而影響檢測精度。

3.1.2 聲波檢測設(shè)備準備

混凝土橋梁檢測過程中，超聲檢測設(shè)施是基礎(chǔ)，也是保證檢測結(jié)果質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前來說，超聲設(shè)備包含聲波檢測儀器、能量轉(zhuǎn)換器、計算設(shè)備、檢測管線等。在開展檢測工作前，應(yīng)進行聲波檢測設(shè)備的校正、調(diào)節(jié)，各項技術(shù)參數(shù)都符合要求、達到檢測標準要求才能開展檢測，以免對檢測活動造成不利影響。

3.2 聲波檢測技術(shù)實施工序

在進行橋梁樁基不同剖面檢測工作中，先利用平測的方式，獲取斷面異常的位置信息，然后再進行加密平測、扇形掃測或者傾斜檢測等操作。在平測剖面環(huán)節(jié)，各項設(shè)備在檢測時應(yīng)同步進行升降操作，得出準確的數(shù)據(jù)信息。傾斜測量剖面時，發(fā)射、接收換能器應(yīng)設(shè)置一定的高度差，再同時升降設(shè)備，保持高度差不變，得出具體的測量差異參數(shù)值，及時發(fā)現(xiàn)缺陷部位。扇形掃測方式的應(yīng)用，是利用發(fā)射換能設(shè)備在特定高度上進行，再利用其他的測量線路以扇形剖面方式測量。扇形掃測中，各個測量點設(shè)置的測量距離有差異，波速的比較可以快速確定，但是波幅并不能準確確定，只能通過臨近測量點進行缺陷分析。

3.3 聲波檢測參數(shù)結(jié)果測評

以不同測量點來明確相應(yīng)的聲波波幅、聲速等數(shù)據(jù)，并與樁基結(jié)構(gòu)高度對比分析，從而進行缺陷測算分析，最終得出檢測結(jié)果，判定樁基是否存在缺陷問題。

3.3.1 混凝土強度參數(shù)結(jié)果

在檢測工作中，應(yīng)通過混凝土抗壓強度與彈性模量之間關(guān)系，確定聲波速的數(shù)據(jù)，主要是利用聲波速和混凝土力學性能、抗壓強度的關(guān)系，結(jié)合表1 確定混凝土強度參數(shù)。

表1 聲速與強度比較

聲速/（km/s）強度測評低于2很差2～3差3～3.5待定3.5～4.5好＞4.5很好

3.3.2 根據(jù)聲波傳播速度參數(shù)判別

在檢測工作后，利用概率方法計算，可以獲取聲波傳播標準臨界值參數(shù)。質(zhì)量符合要求的混凝土結(jié)構(gòu)，聲波臨界參數(shù)具備離散性特征，所以聲波速確定時，需要利用質(zhì)量合格混凝土標準差與聲波速參數(shù)確定，提高數(shù)據(jù)測量精度的要求。

3.3.3 根據(jù)聲波波幅參數(shù)判別

對混凝土結(jié)構(gòu)聲波幅數(shù)據(jù)進行對比，了解缺陷部位和正常部位的差異。如果波幅臨界值相對較小，通常將平均值6dB 作為臨界值使用，以確定具體的缺陷位置。樁基混凝土結(jié)構(gòu)的聲時參數(shù)如果存在變化，回歸造成深度缺陷斜率的增大，這樣利用聲時參數(shù)即可確定缺陷問題的程度，再根據(jù)相應(yīng)的曲線斜率，得出準確的質(zhì)量缺陷數(shù)據(jù)。如果檢測時發(fā)現(xiàn)某個部位上的斜率發(fā)生很大的變化，即可確定缺陷位置。

3.3.4 聲波波幅、傳播速度及PSD 參數(shù)評測

在樁基結(jié)構(gòu)檢測中，波幅變化過于劇烈的檢測點，即缺陷發(fā)生率較高的部位，需要根據(jù)現(xiàn)場情況增加扇形掃測或傾斜檢測等方法聯(lián)合測量，通過波幅數(shù)據(jù)信息可以得出缺陷等級、位置信息，為缺陷處理提供基礎(chǔ)。如果波幅、傳播速度、缺陷斜率等方面的差異明顯，還要考慮到現(xiàn)場施工情況、波形變化等方面因素，再確定具體的缺陷位置。如果波速經(jīng)過檢測后，持續(xù)性低于臨界值，再輔助使用鉆芯法得出具體數(shù)據(jù)信息。

4 基于實際工程的測量和數(shù)據(jù)分析

4.1 工程概況

該橋梁項目總長為481m，為連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式，使用的是三跨中央雙索面斜拉橋的形式。在橋梁表面設(shè)計為雙向四車道，橋梁寬度為24.5m，總計使用44 根樁基，樁徑在1200～2800mm 之間，采用鉆孔灌注樁的形式，樁徑2.8m、樁長20m，在內(nèi)部埋設(shè)有4 根聲測管，樁基結(jié)構(gòu)施工的4 周后，開始進行超聲檢測。

4.2 檢測準備

檢測工作開始前，做好下述幾個方面的工作。

4.2.1 技術(shù)調(diào)研

技術(shù)人員深入橋梁工程現(xiàn)場了解樁基特點，發(fā)現(xiàn)在樁基內(nèi)埋設(shè)的聲測管是正方形布置的形式，這種形式優(yōu)先選擇跨孔透射法。總結(jié)以往工作經(jīng)驗，結(jié)合此次橋梁的實際情況，吸收并且借鑒了局部條件下情況，選擇聲波測量分析技術(shù)，可以防止存在不利影響，提高檢測結(jié)果和精度，對后續(xù)工作產(chǎn)生積極的作用。

4.2.2 加強環(huán)境控制

為了提高檢測精度，提升固化水平，需要合理地應(yīng)用聲波測量技術(shù)，在樁頭的部位實施必要的開挖和破除樁頭的工作，然后進行表面磨平處理，為檢測工作順利實施提供基礎(chǔ)。

4.2.3 選擇合適的檢測設(shè)備

技術(shù)人員對現(xiàn)場情況進行綜合分析，了解影響因素，最終選用ZBL-U5600 便攜式超聲儀，這是目前使用比較普遍的探測儀設(shè)備，通用價值較高，可以快速完成樁基缺陷檢測，了解樁體結(jié)構(gòu)的完整性信息。該項目使用的換能器是發(fā)射縱波振動換能器裝置。

4.3 現(xiàn)場檢測

在現(xiàn)場檢測的過程中，主要做好如下工作：

第一，檢測聲測管的平行度。在檢測工作實施前，進行各個聲測管平行度的檢測。在此次工程中，發(fā)現(xiàn)4 根聲測管平行度有一定偏差，但是在合理的范圍內(nèi)，不會給檢測結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

第二，了解聲測管距離關(guān)系，測定分析聲測管到外壁的距離，確定符合此次測量標準要求。

第三，聲測管外徑57mm，壁厚3.5mm，因為管道壁厚對測量結(jié)論存在著直接的影響，所以需要做好分析，為誤差分析提供基礎(chǔ)。檢測工作正式開展時，先應(yīng)用平測的方式進行測量。測量工作開展環(huán)節(jié)，同時提升發(fā)射、接收換能器，為防止出現(xiàn)過大的誤差，應(yīng)在檢測時利用水平儀調(diào)整處理，達到精準性要求。發(fā)射波控制環(huán)節(jié)，為提高測量精度，技術(shù)人員需要及時落實頻率、振幅的調(diào)節(jié)，加強頻率、振幅控制，以得出準確的檢測結(jié)果。如果檢測發(fā)現(xiàn)有異常問題，需要記錄高度數(shù)據(jù)。一組測量結(jié)束后，再進行剩余管道測量，構(gòu)建測量數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)定量分析。

4.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析要從下述幾點出發(fā)：聲速、波幅和PSD（Power Spectral Density，信號的功率譜密度）。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)分析，可以判定樁基質(zhì)量。因為測量數(shù)據(jù)較多，部分檢測結(jié)果見表2。

表2 檢測結(jié)果（部分）

主頻/kHz 41.2 41.2 41.2 43.1 41.5測點序號12345深度/m 17.6 17.8 18.0 18.2 18.4跨距/mm 2360 2360 2360 2360 2360聲時/ms 173.0 173.0 174.0 173.0 177.0聲速/（km/s）3.825 3.825 3.804 3.825 3.743波幅/nV 97.1 96.4 96.0 97.6 96.5

振幅數(shù)據(jù)按照規(guī)定數(shù)據(jù)確定。此次橋梁檢測工作平測衰減的標準為6dB。這是平均參數(shù)值，分析發(fā)現(xiàn)只有一處衰減超出6dB 平均參數(shù)值，技術(shù)人員先將該位置標記為疑似缺陷位置。在全面檢測結(jié)束后，針對標記好的疑似缺陷位置，應(yīng)用傾角測量、扇形測量等方式，確定具體的缺陷問題范圍。此次檢測發(fā)現(xiàn)缺陷并未超出規(guī)定的要求。根據(jù)表2 的各項數(shù)據(jù)信息，判定出這兩個測管樁體的連接性能是比較好的。在18.8～20m 的區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)聲速有所降低，但是基本處于正常的范圍內(nèi)，測量樁基承壓強度，沒有對樁基承壓力造成過大的影響。按照目前國家標準要求，此次測量樁基結(jié)構(gòu)完全符合工程的要求，達到橋梁使用標準，不會引發(fā)質(zhì)量事故問題，可以投入使用。

5 聲波檢測技術(shù)操作要點

檢測工作開始前，需要預(yù)埋聲波聲測管，該環(huán)節(jié)應(yīng)確保各個管線是水平對稱的布置形式，探頭可以在管道內(nèi)部隨意移動。聲測管的數(shù)量根據(jù)樁基管徑密度參數(shù)確定，加強管線防護管理，端部設(shè)置蓋板，防止雜物進入內(nèi)部。加強樁基內(nèi)部控制，避免探頭直接落入管線底部，也不能有其他物質(zhì)影響測量的效果。

聲波檢測技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要在橋梁樁基混凝土施工結(jié)束四周后開展。檢測工作實施中，應(yīng)按照挖樁、破樁、找平、檢測的順序開展。此外，加強現(xiàn)場管控，預(yù)防有雜物進入管線內(nèi)而影響測量數(shù)據(jù)精度。

聲波探頭包含傳感器、數(shù)據(jù)采集元件等，應(yīng)保證各個元件質(zhì)量合格，并選擇符合設(shè)計要求的測試模塊進行，確保獲得的數(shù)據(jù)達到精度的要求、波形清晰可見。聲測管線必須和鋼筋籠穩(wěn)定連接，防止發(fā)生堵塞、形變等問題。根據(jù)設(shè)計方案的要求，確定最佳的聲測管厚度參數(shù)、確認焊接連接效果達標、管線內(nèi)部直徑滿足測量的要求。聲波檢測工作開展前，應(yīng)在管線內(nèi)部注入足量的清水作為耦合劑使用，并加強水質(zhì)的控制，預(yù)防因為水質(zhì)渾濁而導(dǎo)致衰減、傳播時間延長，對檢測精度產(chǎn)生不利的影響。如果經(jīng)過檢測后確定樁基某部位質(zhì)量不合格，還要聯(lián)合鉆芯技術(shù)補測，得出完整性參數(shù)。加強檢測工序的控制，澆筑保持連續(xù)進行，底部沉渣厚度在合理的范圍內(nèi)，預(yù)防發(fā)生離析、冷接縫的問題，提升樁基結(jié)構(gòu)的性能和承載力，保證符合橋梁工作的標準要求。

6 結(jié)語

綜上所述，在混凝土橋梁檢測中，應(yīng)用聲波技術(shù)具備非常明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為操作簡單、結(jié)果精準、直觀，但單純應(yīng)用聲波透射法并不能準確判斷出樁基缺陷問題，基于此，應(yīng)聯(lián)合多種方法進行全面檢測，發(fā)揮出聲波檢測的優(yōu)勢，也提高檢測精度，便于及時處理樁基缺陷問題，提升承載力，滿足橋梁運行要求。應(yīng)重視聲波檢測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，保障混凝土橋梁樁基性能和質(zhì)量。