公路橋梁基樁檢測中超聲波透射法的運用研究

歐活誼

（廣東交粵工程檢測有限公司,廣東 廣州 510520）

0 引言

公路橋梁工程施工規(guī)模大、周期長、條件苛刻，樁基工程易出現(xiàn)質(zhì)量與安全隱患，對工程后續(xù)施工影響大，也會影響工程整體質(zhì)量。因此，嚴(yán)格檢驗基樁質(zhì)量是公路橋梁工程建設(shè)中檢驗與質(zhì)量控制的關(guān)鍵工作之一。超聲波透射法則是一種具有技術(shù)先進(jìn)、使用簡便、可靠性高、精度高等優(yōu)勢的新型檢測方法，其能夠檢測特定位置，快速確定基樁缺陷，提高檢測的精度、效率。但超聲波透射法實際應(yīng)用中有著較多特殊要求，需要規(guī)范掌握方法原理、應(yīng)用過程，保證檢測結(jié)果的客觀性與準(zhǔn)確性。

1 超聲波透射法簡述

1.1 原理

超聲波透射法屬于超聲波檢測法的一種，在應(yīng)用中，會在基樁中放置聲測管道與聲波發(fā)射探針、接收探針，并需要利用清水填充管道，將其充當(dāng)為耦合介質(zhì)；先由探測器發(fā)射出超聲波脈沖，探測待測樁體后，由接收機(jī)輸出探測頻率、波形頻譜、波幅等信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后可以確定離析、蜂窩等質(zhì)量缺陷及其位置，進(jìn)而從整體評估探測樁體的均勻程度與整體強(qiáng)度[1]。注意聲波透射法僅可以推測混凝土強(qiáng)度。

1.2 類型

按照發(fā)射和接收換能器高度變化與變換程度，可以將超聲波透射法劃分為三種類型。

1.2.1 平測法

是指發(fā)射和接收換能裝置處于相同高度，上、下相鄰兩測點的間距不應(yīng)大于250 mm 并隨時校正，當(dāng)樁基在垂直方向上有缺陷及程度可以判斷，但基樁水平方向上出現(xiàn)的問題無法判斷。所以，可以聯(lián)合斜測對水平出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2.2 斜測法

是指發(fā)射和接收換能裝置處于不同高度，但按照固定的高程差值移動。該方法應(yīng)用中高程差越大基樁側(cè)向的誤差越大，主要因測量期間受訊號的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果嚴(yán)重失真。所以，為了避免準(zhǔn)確性的影響，需要結(jié)合確定的高程差來檢測。

1.2.3 扇形掃測法

扇形掃測法是指檢測中一個換能器固定在某一高度位置，另一個換能器逐點移動，由于測點之間有一定距離，使測量線路形成扇面形狀。有時候可以利用扇形掃測來預(yù)防換能器過于起落頻繁，從而影響樁頂、樁底等位置無法采用斜測法檢測；且也用于核查與判定可能存在的異常情況。

2 公路橋梁基樁檢測中超聲波透射法的運用

2.1 準(zhǔn)備工作

2.1.1 聲測管預(yù)埋

當(dāng)樁徑<1 m 時，安裝二根管；當(dāng)1 m ≤樁徑≤1.6 m 時，安裝三根管；當(dāng)1.6 m<樁徑<2.5 m 時，安裝四根管；當(dāng)樁徑≥2.5 m 時，聲測管的數(shù)量應(yīng)增加。聲測管應(yīng)采用金屬管，壁厚不應(yīng)小于2 mm，其內(nèi)徑應(yīng)比換能器外徑大，不小于15 mm，金屬管宜采用螺紋連接或套管焊接等工藝，且不滲漏聲測管應(yīng)牢固焊接或綁扎在鋼筋籠內(nèi)側(cè)捆扎聲測管，管口應(yīng)高出樁頂一部分（≥300 mm）；聲測管之間保持平行，垂直于地面；布置結(jié)束后，疏通聲測管，將上下兩端封閉[2]。

2.1.2 儀器、設(shè)備檢查

儀器檢測系統(tǒng)包括徑向換能器、發(fā)射、接收、放大、采集、處理、顯示、存儲等集合于一身的完整設(shè)備。檢測期間需在檢測前提前做好檢查，確認(rèn)連通電源后儀器、設(shè)備的運行狀態(tài)，確保正常工作、性能穩(wěn)定。同時，針對檢測期間信號傳輸延遲、諧波多等問題，需要提前采取控制措施，并矯正精密儀器，為檢測高效、可靠地進(jìn)行創(chuàng)造穩(wěn)定的硬件基礎(chǔ)。

2.2 檢測過程

在聲測管內(nèi)安裝接收換能器，進(jìn)行簡單試驗，保證換能器能夠正常上升與下降；根據(jù)檢測需要設(shè)置測量設(shè)備參數(shù)，確保接收高信噪比的數(shù)據(jù)；調(diào)整換能器高度，聲波發(fā)射與接收換能器應(yīng)處于相同標(biāo)高位置或保持固定高差同步升降，測點間距不宜超過250 mm，其累計相對高差不應(yīng)大于20 mm；啟動儀器后標(biāo)定超聲波檢測儀發(fā)射至接收的系統(tǒng)延遲時間t0，然后找出儀器顯示的首波，測量聲速、波形、波幅、主頻等參數(shù)并保存；每次測量結(jié)束后，需要重復(fù)試驗判斷測量精度，重復(fù)試驗范圍控制在10%~20%內(nèi)，并控制聲時相對標(biāo)準(zhǔn)差在5%以內(nèi)、頻率相對標(biāo)準(zhǔn)差在10%以內(nèi)，但發(fā)現(xiàn)振幅或聲時存在明顯異常時必須進(jìn)行重復(fù)試驗[3]。有時候可用4 種檢測手段來測定聲速和波幅異常的部位，從而確定樁身混凝土缺陷的位置、大小和嚴(yán)重程度。

2.3 結(jié)果判別

2.3.1 樁身完整性判別

基于檢測中獲取的數(shù)據(jù)對基樁完整性進(jìn)行評估。期間需要參考聲速臨界值、PSD 判據(jù)值、波幅臨界值、實測波形等判斷準(zhǔn)則，結(jié)合樁型、地質(zhì)情況、成樁工藝、實測波形、聲波參量、技術(shù)規(guī)程等因素，立足整體綜合判定。基身完整性分為4 個等級：

（1）Ⅰ類樁：完整的樁身。

（2）Ⅱ類樁：基本完整的樁身。

（3）Ⅲ類樁：有明顯缺陷的樁身。

（4）Ⅳ類樁：有嚴(yán)重缺陷的樁身。

2.3.2 混凝土質(zhì)量判定

基于實測中獲得的聲波參量、深度不同測點的波形特點推測基樁混凝土強(qiáng)度，評估基樁整體質(zhì)量。

（1）聲波參量判定依據(jù)如下：①聲時均勻、無突變，波幅無大衰減，波形正常，表示質(zhì)量完好；②聲時增大，波幅有衰減，波形畸變，表示混凝土內(nèi)部有離析現(xiàn)象；③聲時顯著增大，波幅明顯衰減，波形嚴(yán)重畸變，表示混凝土內(nèi)部有斷裂現(xiàn)象。

（2）波形判定依據(jù)如下：①樁身完整時波形正常，相對典型，聲時曲線呈現(xiàn)出一條平穩(wěn)直線，無明顯轉(zhuǎn)折，波動也無明顯變化，更無異常下降；②檢測出分離樁時波形會出現(xiàn)波浪，但波形畸變幅度小。當(dāng)基樁內(nèi)部出現(xiàn)大量砂?；蚩锥磿r，超聲波信號聲場強(qiáng)度會有所提高，與正常相差10%~20%左右，且有明顯的衰減；③檢測出基樁破裂時波形也會出現(xiàn)波浪，但波形畸變幅度大?；鶚毒植砍霈F(xiàn)斷裂時，聲波在傳輸時會出現(xiàn)明顯的峰值，超過正常范圍30%左右，且幅度也呈現(xiàn)明顯下降趨勢。據(jù)以往試驗經(jīng)驗總結(jié)，遇砂石層時振幅衰減幅度范圍在50%~100%，遇泥沙夾層時振幅衰減幅度在80%~100%，聲波呈一條直線。

3 實例分析

3.1 工程概況

某在建的一級公路兼容市政道路改造項目，施工段內(nèi)包括公路、橋梁、下穿隧道等多類型工程施工。施工區(qū)域地勢情況復(fù)雜、橋梁跨徑大，要求樁基承載力大，設(shè)計樁基為端承灌注樁，為確保樁基施工質(zhì)量與完整信息，該項目部分大樁徑樁基采用超聲波透射法檢測樁基完整性。

3.2 檢測過程

該項目橋樁徑為1.5 m、1.8 m 和2.0 m，需安裝3 或4 根聲測管，分別編號聲測管A、B、C、D 或1、2、3、4，檢測采用檢測儀器采用武漢中巖科技RSM-SY7、武漢巖海RS-ST06D（T）跨孔超聲波檢測儀，同時結(jié)合抽芯綜合判斷完整性。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 Ⅰ類基樁

編號Z18-1基樁為端承樁（如圖1所示），樁長37.00 m、設(shè)計強(qiáng)度為C30、樁徑1 500 mm，測得波速平均值為4.462 km/s，波幅平均值為97.1 dB。與臨界值相比，聲測剖面結(jié)果顯示聲速值與波幅值均未低于臨界值，按照規(guī)范評定標(biāo)準(zhǔn)可以初步確定為Ⅰ類基樁。同時，檢測中采用儀器逐一激發(fā)測點，隨著測點高度的增加，聲速、PSD值等聲學(xué)參數(shù)也會發(fā)生變化，但對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，基樁檢測剖面的聲學(xué)參數(shù)均處于正常范圍內(nèi)，無異常情況，表示樁身整體完整、波形無異常[4]。最終判定為Ⅰ類基樁。

圖1 Z18-1 樁基超聲波檢測結(jié)果示意圖

3.3.2 Ⅱ類基樁

編號Z20-1基樁為端承樁（如圖2所示），樁長41.00 m、設(shè)計強(qiáng)度為C30、樁徑1 500 mm，測得波速平均值為4.367 km/s，波幅平均值為106.77 dB。三個剖面檢測結(jié)果顯示，其中檢測樁頂標(biāo)高以下5.20~5.60 m 深度范圍內(nèi)局部混凝土存在輕度缺陷，一個剖面存在聲速與波幅異常點，多個剖面存在波幅異常點，其他剖面均無異常。根據(jù)技術(shù)規(guī)程判別要求，最終判定為Ⅱ類基樁。

圖2 Z20-1 樁基超聲波檢測結(jié)果示意圖

3.3.3 超聲波檢測結(jié)合抽芯綜合判定Ⅱ類基樁

編號Y19-1 基樁為端承樁（如圖3 所示），樁長43.00 m、設(shè)計強(qiáng)度為C30、樁徑2 000 mm，測得波速平均值為4.356 km/s，波幅平均值為108.24 dB。6 個剖面檢測結(jié)果顯示，其中檢測樁頂標(biāo)高以下1.20~3.10 m 深度范圍內(nèi)局部混凝土存在輕度缺陷，3 個剖面存在聲速與波幅異常點，病害集中在2 號聲測管附近，多個剖面存在波幅異常點，PSD 圖顯示明顯缺陷，其他剖面均無異常。根據(jù)技術(shù)規(guī)程判別要求，可判定為Ⅲ類基樁；抽芯驗證在約1.3 m 左右位置存在局部蜂窩。經(jīng)分析可能在灌注完成后拔取鋼護(hù)筒的時候?qū)炷翑_動造成。經(jīng)對蜂窩注漿處理，最終結(jié)合超聲波檢測與抽芯結(jié)果對芯樣完整性判斷，此樁基判為Ⅱ類基樁。

圖3 Y19-1 樁基超聲波與抽芯檢測結(jié)果示意圖

3.3.4 超聲波檢測結(jié)合抽芯綜合判定Ⅱ類基樁

編號Y20-3 基樁為端承樁（如圖4 所示），樁長34.50 m、設(shè)計強(qiáng)度為C30、樁徑1 800 mm，測得波速平均值為4.443 km/s，波幅平均值為106.79 dB。六個剖面檢測結(jié)果顯示，其中檢測樁頂標(biāo)高以下34.4~34.5 m 深度范圍內(nèi)局部混凝土存在輕度缺陷，五個剖面存在聲速與波幅異常點，PSD 圖顯示缺陷明顯。根據(jù)技術(shù)規(guī)程判別要求，可判定為Ⅲ類基樁；抽芯驗證在約34.4 m 樁底左右位置存在局部沉渣或結(jié)合面不良。經(jīng)調(diào)查，清孔施工結(jié)束后，未能及時灌樁，導(dǎo)致孔底出現(xiàn)泥漿沉淀情況，增加沉渣厚度。由于基樁屬于端承樁，對樁底沉渣厚度要求較為嚴(yán)格，出現(xiàn)沉渣問題必然會對樁身與底部巖石之間的連接產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致基樁承載能力下降[5]，所以必須對樁底注漿處理，結(jié)合超聲波檢測與抽芯結(jié)果對芯樣完整性判斷，此樁基判為Ⅱ類基樁。

圖4 Y20-3 樁基超聲波與抽芯檢測結(jié)果示意圖

4 結(jié)語

綜上所述，超聲波透射法是一種能夠判定與評估基樁完整性、質(zhì)量、整體安全性的無損檢測技術(shù)，其操作方便、原理簡單、精準(zhǔn)度高。但在應(yīng)用過程中，需掌握技術(shù)規(guī)范要求以及方法原理，了解不同類型方法的適用條件，減少操作上的失誤，且嚴(yán)格按照判定依據(jù)分析結(jié)果，必要時結(jié)合低應(yīng)變反射波法、抽芯驗證法和孔內(nèi)攝像法等綜合評估基樁情況，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量與安全缺陷，避免在公路橋梁工程建設(shè)中造成不可預(yù)估的危害和無法挽回的損失。