橋梁樁基礎(chǔ)的超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析

倪雷

（江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

1 前言

橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其安全性和可靠性對(duì)社會(huì)的運(yùn)行至關(guān)重要。而橋梁的穩(wěn)定性和承載能力則與其基礎(chǔ)的牢固性密切相關(guān)，樁基礎(chǔ)作為橋梁的重要組成部分之一，承擔(dān)著橋梁自身和交通荷載的力傳遞功能。然而，由于樁基礎(chǔ)深埋于土層中，其內(nèi)部情況的檢測(cè)和評(píng)估是一個(gè)難題。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)檢測(cè)方法如靜力觸探和動(dòng)力觸探等常規(guī)手段在實(shí)踐中存在一些局限性，包括時(shí)間和成本的限制，以及對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)部情況的有限了解。因此，需要一種非破壞性且能夠快速、準(zhǔn)確地評(píng)估橋梁樁基礎(chǔ)內(nèi)部情況的檢測(cè)技術(shù)。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，該技術(shù)利用超聲波的傳播和反射特性，通過(guò)對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲學(xué)波的分析，能夠獲取有關(guān)結(jié)構(gòu)的重要信息。與傳統(tǒng)手段相比，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有非破壞性、實(shí)時(shí)性、高分辨率和便攜性的優(yōu)勢(shì)，能夠有效地檢測(cè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的缺陷、裂紋、空洞和銹蝕等問(wèn)題。研究的目的是對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)展開(kāi)深入的分析和探討，對(duì)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的原理及其在橋梁樁基礎(chǔ)上的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并探討了推進(jìn)橋梁樁基礎(chǔ)超聲波無(wú)損檢測(cè)的對(duì)策，期望能夠?yàn)闃蛄汗こ讨械幕A(chǔ)檢測(cè)提供一種有效的無(wú)損檢測(cè)方法，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持和保障。

2 超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)原理

當(dāng)前，在橋梁工程中，所使用的檢測(cè)技術(shù)有多種，其中超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有自身的特點(diǎn)。其具有自動(dòng)化的特點(diǎn)，并且正在逐步走向?qū)I(yè)化。因此，隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的深入，必須認(rèn)識(shí)到我國(guó)橋梁建設(shè)的發(fā)展方向，并在今后的發(fā)展中，大力開(kāi)展超聲探傷技術(shù)的研究與應(yīng)用。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)在空氣中進(jìn)行聲波的傳遞、反射等條件轉(zhuǎn)換，能有效地探測(cè)到目標(biāo)，這樣，就不會(huì)傷害到被測(cè)試者，發(fā)現(xiàn)缺陷等，確定缺陷的確切位置和數(shù)目。當(dāng)前，超聲波探傷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑工程等領(lǐng)域。它的檢測(cè)原理是：超聲波在外來(lái)物質(zhì)中的傳導(dǎo)。首先，在用超聲波探測(cè)物體的時(shí)候，在一定區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生超聲，并且它能將由被測(cè)對(duì)象所產(chǎn)生的聲源引入到被測(cè)對(duì)象中。然后，當(dāng)超聲波在試樣中傳遞的時(shí)候，它與被測(cè)物體的材料以及被測(cè)物體的缺陷有關(guān)，因此，超聲波的傳送方向被改變了。然后，儀器將采集到這種改變后的超聲信號(hào)，并將其傳遞給工作人員，讓他們做進(jìn)一步的分析，使得最后工作人員能夠通過(guò)對(duì)超聲探測(cè)特征的分析來(lái)判斷被測(cè)對(duì)象是否有缺陷。

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)很多，例如，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)金屬、非金屬以及復(fù)合類(lèi)材料時(shí)得到了廣泛的應(yīng)用，該方法穿透性好，能直接探測(cè)出寬厚范圍內(nèi)的目標(biāo)缺陷。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可對(duì)缺損進(jìn)行直接定位，對(duì)大面積缺陷的準(zhǔn)確率在30%以上，具有高靈敏度，可對(duì)面積較小的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有費(fèi)用低廉、速度快、對(duì)周邊環(huán)境無(wú)破壞等優(yōu)點(diǎn)，更適合對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，近年來(lái)，超聲波無(wú)損技術(shù)在各種工程質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目中都被有效地應(yīng)用，具有諸多的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，但是，對(duì)于復(fù)雜度高或形狀不規(guī)則的對(duì)象，超聲波無(wú)損技術(shù)并不能保證高精度。超聲波無(wú)損技術(shù)雖能對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行有效的定位，但仍需對(duì)量化數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)的研究。另外，如果被測(cè)對(duì)象中含有晶體物質(zhì)，這會(huì)影響最后的測(cè)試結(jié)果，如果采用人工脈沖法進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)，也會(huì)直接影響測(cè)試結(jié)果的真?zhèn)闻c精確度。

3 橋梁樁基礎(chǔ)的超聲波無(wú)損檢測(cè)

3.1 超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在橋梁樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用

應(yīng)用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，需要對(duì)樁基礎(chǔ)的承載力和完善性進(jìn)行檢測(cè)，具體過(guò)程如圖1 所示。

圖1 超聲波法對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)的過(guò)程及方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)樁基礎(chǔ)承載能力的超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要采用靜荷載試驗(yàn)法和高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法兩種方法。前者指的是在測(cè)試樁的縱向承載力時(shí)，將靜態(tài)荷載加到樁的頂端，根據(jù)檢測(cè)得到的PS 曲線參數(shù)的特點(diǎn)，對(duì)樁基承載力進(jìn)行判斷，以便對(duì)樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量進(jìn)行更精確的檢測(cè)。然而，因?yàn)殪o荷載試驗(yàn)方法的試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，費(fèi)用高，在工程實(shí)踐中，由于樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)較高，所以很難獲得精確的樁基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果。后者用于檢驗(yàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整性及單個(gè)樁身的縱向承載力，在檢測(cè)期間，錘子的質(zhì)量大于樁的質(zhì)量，以自由落體的形式砸在樁基的頂部，根據(jù)樁基頂部產(chǎn)生的超聲波，對(duì)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)系數(shù)進(jìn)行判定，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)樁基礎(chǔ)承載力進(jìn)行了計(jì)算與分析。在樁基完善性檢驗(yàn)中，最符合這一要求的是低應(yīng)變動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。這種方法是在樁的頂端加上一個(gè)很小的振動(dòng)能量，使樁基與周?chē)寥腊l(fā)生共振。當(dāng)土壤發(fā)生共振時(shí)，利用適當(dāng)?shù)膬x器和設(shè)備，對(duì)樁基頂上震動(dòng)的速度進(jìn)行檢測(cè)，并利用超聲波振動(dòng)原理與阻擋理論，對(duì)超聲波所反映的數(shù)據(jù)參數(shù)展開(kāi)分析計(jì)算，接著，對(duì)樁基整體的施工質(zhì)量與樁基的完善性展開(kāi)分析，評(píng)價(jià)樁基施工中的承載力。為了檢驗(yàn)樁的完整性，也應(yīng)采用超聲波透射法。超聲波透射法則，它應(yīng)用了超聲波在混凝土中的傳播聲學(xué)理論，探測(cè)傳播的聲學(xué)參數(shù)。比如，對(duì)樁基聲波傳導(dǎo)中的聲速、音頻、振幅甚至頻率進(jìn)行檢測(cè)，能看到它的變化，也能看到它的傳導(dǎo)狀況，從而對(duì)樁基內(nèi)混凝土的完善性與持續(xù)性乃至斷層進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。

在使用超聲波探傷橋梁樁基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照對(duì)應(yīng)的步驟進(jìn)行。首先是聲測(cè)管預(yù)埋，再進(jìn)行檢測(cè)，具體過(guò)程如圖2 所示。

圖2 橋梁樁基礎(chǔ)的超聲探傷程序

由圖2 可知，在用超聲波探樁時(shí)，在樁基礎(chǔ)上埋設(shè)聲測(cè)管道，在樁的直徑不到1.5m 時(shí)，埋設(shè)了3 個(gè)聲測(cè)管。如果被測(cè)樁直徑大于1.5m，至少預(yù)埋4 根聲測(cè)管。另外，在對(duì)聲測(cè)管材料的選擇上，應(yīng)選用螺紋接頭，所用的聲測(cè)管內(nèi)徑應(yīng)比換能器的外徑大1.5cm。在捆扎聲測(cè)管時(shí)，應(yīng)該采用的捆扎方式盡量與鋼筋籠一樣，并同時(shí)保證聲測(cè)管底端處于封閉狀態(tài)。樁式換能器的選取，要以樁的直徑為依據(jù)，并設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)，一旦設(shè)置好了，就不能隨意改變。另外，在檢驗(yàn)同一樁的時(shí)候，也要確保電壓不發(fā)生改變。在安裝換能器時(shí)，它可以放置在聲測(cè)孔的上面或者下面，并保證在傳輸過(guò)程中保持同步，在不同的位置上測(cè)量并記錄測(cè)試結(jié)果。在測(cè)量過(guò)程中，傳感器的位置應(yīng)該在任何時(shí)候進(jìn)行校正，并且應(yīng)該保證前、后兩個(gè)測(cè)點(diǎn)保持在250mm內(nèi)。而且，在互相測(cè)量的過(guò)程中，信號(hào)的發(fā)送和接收必須是同步的，如果出現(xiàn)了不同步的情況，就必須立即糾正。測(cè)量點(diǎn)的距離應(yīng)控制在0.2 ～0.5m，若出現(xiàn)異常情況，應(yīng)進(jìn)行加密。測(cè)試結(jié)束后，應(yīng)對(duì)樁基進(jìn)行再次測(cè)試，對(duì)其進(jìn)行抽樣，并保證其在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。對(duì)研究采用的超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 橋梁樁基礎(chǔ)的超聲波無(wú)損檢測(cè)效果分析

通過(guò)圖3 可以看出，研究采用的超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和常規(guī)的橋梁樁基礎(chǔ)檢測(cè)方法相比，前者的檢測(cè)準(zhǔn)確率更高，檢測(cè)速度也更快，且對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的損壞率接近于0。研究方法和傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確率分別為97.3%、91.2%，損壞率分別為0.1%、2.5%，速度分別為152m/s、119m/s。

3.2 推進(jìn)橋梁樁基礎(chǔ)超聲波無(wú)損檢測(cè)的對(duì)策

應(yīng)用超聲波對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，能夠在對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)運(yùn)行狀況檢測(cè)的同時(shí)，不對(duì)其產(chǎn)生傷害，可以推進(jìn)這一檢測(cè)技術(shù)，也促進(jìn)橋梁工程的發(fā)展。推進(jìn)橋梁樁基礎(chǔ)超聲波無(wú)損檢測(cè)的對(duì)策主要包括3 方面的內(nèi)容：（1）借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)檢驗(yàn)技術(shù)的突破。就我國(guó)目前的情況來(lái)看，大部分橋梁的檢測(cè)技術(shù)都是從國(guó)外引進(jìn)的，其中包括超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，這就增加了技術(shù)的使用成本，使得該技術(shù)的推廣需要大量的資金，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的發(fā)展。因此，要想使超聲波無(wú)損檢測(cè)得到更好的發(fā)展，必須不斷地改進(jìn)和完善科技成果，才能使超聲探傷技術(shù)得到更大的發(fā)展。（2）需要完善行業(yè)檢測(cè)的內(nèi)容。橋梁工程是一個(gè)由點(diǎn)、線、面組成的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其內(nèi)容很多，范圍也很廣，一般都有不同的構(gòu)造。目前，超聲波檢測(cè)技術(shù)只應(yīng)用在道橋工程中很小的一部分，還有很多新的檢測(cè)技術(shù)需要深入研究，并將這些檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到道橋工程中的各個(gè)方面。（3）應(yīng)該加強(qiáng)行業(yè)隊(duì)伍的建設(shè)。不管是什么行業(yè)，它的團(tuán)隊(duì)的整體質(zhì)量都會(huì)極大地影響整個(gè)施工過(guò)程中的質(zhì)量和水平。因此，要想在今后的橋梁建設(shè)中推進(jìn)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，就必須提高工作人員的素質(zhì)，強(qiáng)化隊(duì)伍的建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

因?yàn)樵谑┕さ倪^(guò)程中，樁基礎(chǔ)很容易受到施工工藝、工程地質(zhì)條件等多個(gè)因素的影響，從而導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題，這些問(wèn)題不僅會(huì)對(duì)樁基礎(chǔ)的承載能力產(chǎn)生影響，還有可能導(dǎo)致工程安全事故的發(fā)生。因此，必須加強(qiáng)對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的檢測(cè)管理工作，特別是對(duì)樁基的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，這樣可以方便地對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行評(píng)估，從而保證樁基工程施工的質(zhì)量和橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的安全可靠性。研究在對(duì)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，展開(kāi)了應(yīng)用及其推薦措施的研究，進(jìn)而推動(dòng)橋梁建設(shè)的快速發(fā)展和進(jìn)步。后續(xù)研究將對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)的效果進(jìn)行分析，并和其他方法進(jìn)行比較，以檢測(cè)其無(wú)損檢測(cè)的效果。