聲波透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用淺析

梁洪國 李 明

1 聲波透射法檢測(cè)原理

混凝土是由多種材料組成的多相非勻質(zhì)體。對(duì)于正常的混凝土,聲波的傳播速度是有一定范圍的,當(dāng)傳播路徑遇到混凝土有缺陷時(shí),如斷裂、裂縫、夾泥和密實(shí)度差等,聲波要繞過缺陷或在傳播速度較慢的介質(zhì)中通過,聲波將發(fā)生衰減,造成傳播時(shí)間延長(zhǎng),使聲時(shí)增大,計(jì)算聲速降低,波幅減小,波形畸變,利用超聲波在混凝土中傳播的這些聲學(xué)參數(shù)的變化,就可分析和判斷,確定樁身混凝土缺陷的范圍、程度及空間位置,從而推斷和評(píng)定樁身混凝土質(zhì)量。

聲波透射法的試驗(yàn)裝置包括超聲檢測(cè)儀、超聲波發(fā)射及接收換能器(亦稱探頭)、換能器標(biāo)高控制絞車、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等。

聲測(cè)管應(yīng)焊接或綁扎在鋼筋籠內(nèi)側(cè)埋設(shè)到樁底;為便于檢測(cè),管口應(yīng)高出檢測(cè)工作面300 mm以上,管口高度宜一致。聲測(cè)管管底、管口及接頭必須密封,保證聲測(cè)管暢通,管壁完好。聲測(cè)管在樁中位置應(yīng)等分樁的圓周;聲測(cè)管之間應(yīng)保持平行、間距應(yīng)基本保持均勻。

聲測(cè)管埋設(shè)數(shù)量應(yīng)根據(jù)樁徑來確定(見圖1),應(yīng)符合下列要求:

D≤1 000 mm時(shí),宜埋設(shè)兩根管。

1 000 mm＜D≤2 000 mm時(shí),宜埋設(shè) 3根管。

D＞2 000 mm時(shí),宜埋設(shè)4根管(其中,D為受檢樁設(shè)計(jì)樁徑)。

在樁基礎(chǔ)完整性檢測(cè)中,超聲波透射法的檢測(cè)范圍可覆蓋整個(gè)樁身的各個(gè)斷面,無檢測(cè)盲區(qū),并且不受樁長(zhǎng)、樁徑及場(chǎng)地的限制,檢測(cè)快捷方便。這種方法的缺點(diǎn)在于需要在基樁中事先預(yù)埋聲測(cè)管,增加了工程造價(jià),且不能有效檢測(cè)出擴(kuò)頸和輕微的縮頸等缺陷。

2 判斷混凝土質(zhì)量的聲學(xué)參數(shù)

2.1 聲速

聲速的測(cè)試值比較穩(wěn)定、重復(fù)性較好,受非缺陷因素影響較小,在同一根樁的不同剖面以及同一工程混凝土配合比相同的不同樁之間可以相互比較,是判定混凝土質(zhì)量的主要參數(shù),但聲速對(duì)缺陷的敏感度不及波幅。

2.2 接收波的波幅

接收波波幅通常指首波波幅,即第一個(gè)波的前半周期的幅值,在發(fā)射波強(qiáng)度一定的情況下,波幅值的大小直接反映了超聲波在混凝土中傳播衰減的情況,波幅對(duì)缺陷很敏感,是判斷混凝土質(zhì)量的另一個(gè)重要參數(shù)。但波幅的測(cè)試受儀器設(shè)備性能、換能器耦合狀態(tài)以及測(cè)距等諸多因素影響,目前只能作為同條件下(同一儀器、同一狀態(tài)、同一測(cè)距)的相對(duì)比較,在同一根樁的不同剖面或不同樁之間不具備可比性。

2.3 接收波的波形

接收波形也是反映混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要信息,它對(duì)混凝土內(nèi)部的缺陷也很敏感,在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí),除逐點(diǎn)讀取首波的聲時(shí)、波幅外,還應(yīng)注意觀察整個(gè)接收波形態(tài)的變化,作為聲波透射法對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行綜合判定時(shí)的一個(gè)重要參考信息。

3 缺陷判斷

鉆孔灌注樁在施工中易產(chǎn)生的缺陷主要有以下幾種:蜂窩、孔洞、擴(kuò)徑、縮頸、離析、砂礫、夾層、泥砂夾層。

目前,《基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》中制定了三種判定樁身有無缺陷的方法:1)數(shù)值判斷法;2)PSD判斷法;3)波幅判斷法。

3.1 數(shù)值判斷法

數(shù)值判斷法是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,在保證聲測(cè)管兩兩基本平行且管距基本相等的情況下,則聲時(shí)平均值與聲時(shí)2倍標(biāo)準(zhǔn)差之和作為判定樁身有無缺陷的臨界值。該方法是建立在聲測(cè)管基本平行、管距基本相等、混凝土均勻、數(shù)值符合正態(tài)分布的前提下,缺陷判定才比較準(zhǔn)。但是,由于工程管理、施工水平和混凝土離散性大,聲測(cè)管不平行且管距不等諸因素的影響,使聲時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差偏大,導(dǎo)致缺陷易漏判。

3.2 PSD判據(jù)法(Product of Slope and Difference)

PSD判據(jù)即聲時(shí)—深度曲線相鄰測(cè)點(diǎn)的斜率與相鄰兩點(diǎn)聲時(shí)差值的乘積來判斷。PSD對(duì)缺陷很敏感,在聲時(shí)—深度曲線上可明顯地反映出缺陷的位置及性質(zhì)。當(dāng)聲測(cè)管不平行時(shí),由于相鄰測(cè)點(diǎn)聲時(shí)差值變化不大,故PSD還可解決聲測(cè)管傾斜問題。當(dāng)遇低強(qiáng)且均勻的混凝土或相鄰測(cè)點(diǎn)均在缺陷區(qū)時(shí),由于聲時(shí)值的變化也不大,在聲時(shí)—深度曲線上反映不出缺陷,易漏判,需用波幅衰減、聲速、波形畸變來綜合判定。

3.3 波幅判斷法

聲波在穿過有缺陷的混凝土?xí)r,其聲能要被衰減,聲參量波幅會(huì)比聲速對(duì)缺陷更敏感?！痘鶚兜蛻?yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》中規(guī)定可采用接收信號(hào)首波能量平均值的一半作為判斷缺陷臨界值的標(biāo)準(zhǔn),需指出的是,該判據(jù)利用了衰減對(duì)缺陷的敏感性。但為什么能量衰減一半正是判別缺陷有無的界限,這一點(diǎn)還缺乏理論依據(jù)和足夠的工程驗(yàn)證資料,實(shí)際檢測(cè)中也容易檢測(cè)到能量衰減一半的值,但混凝土并無缺陷,這可能與混凝土本身是非均質(zhì)材料,灌注過程中易產(chǎn)生小的蜂窩、孔洞有關(guān),應(yīng)謹(jǐn)慎使用該參數(shù)判斷。

3.4 樁身質(zhì)量的判定標(biāo)準(zhǔn)

樁身完整性類別應(yīng)結(jié)合樁身混凝土各聲學(xué)參數(shù)臨界值、PSD判據(jù)、混凝土聲速低限值以及樁身質(zhì)量可疑點(diǎn)加密測(cè)試(包括斜測(cè)或扇形掃測(cè))后確定的缺陷范圍,按規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行綜合判定?！痘鶚兜蛻?yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》規(guī)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)為:

Ⅰ類樁:各檢測(cè)剖面的聲學(xué)參數(shù)均無異常,無聲速低于低限值異常。

Ⅱ類樁:某一檢測(cè)剖面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常,無聲速低于低限值異常。

Ⅲ類樁:某一檢測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常;兩個(gè)或兩個(gè)以上檢測(cè)剖面在同一深度測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常;局部混凝土聲速出現(xiàn)低于低限值異常。

Ⅳ類樁:某一檢測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯異常;兩個(gè)或兩個(gè)以上檢測(cè)剖面在同一深度測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯異常;樁身混凝土聲速出現(xiàn)普遍低于低限值異?；驘o法檢測(cè)首波或聲波接收信號(hào)嚴(yán)重畸變。

在檢測(cè)過程中不能根據(jù)某單一指標(biāo)來確定是否有缺陷,而應(yīng)綜合各個(gè)指標(biāo)來分析是否有缺陷以及缺陷的范圍和程度。

4 常見問題或故障及處理

1)檢測(cè)信號(hào)突然消失。有兩種原因可產(chǎn)生該類現(xiàn)象:a.聲測(cè)管內(nèi)無水;b.設(shè)備系統(tǒng)故障。檢查聲測(cè)管內(nèi)是否有水,可在采樣狀態(tài)下,迅速往聲測(cè)管注水(以防聲測(cè)管破裂造成水大量外流)至現(xiàn)象消除,否則,將換能器提出聲測(cè)管,平行靠近(5 cm左右)放在空氣中,采樣、觀察是否有接收波形,無接收波形,則設(shè)備系統(tǒng)故障。2)判斷設(shè)備系統(tǒng)的故障部位。將故障的設(shè)備換上平面換能器,將平面換能器的輻射面平行相對(duì),相距5 cm左右,進(jìn)行采樣,如波形正常,證明超聲儀正常,僅僅是徑向換能器故障。若判斷換能器故障時(shí),接上徑向換能器,進(jìn)行采樣,如發(fā)射換能器發(fā)出響聲、無接收波形,則接收換能器故障;如發(fā)射換能器無響聲,僅將發(fā)射換能器更換成平面換能器,將平面換能器的輻射面對(duì)準(zhǔn)徑向換能器的輻射體(中間部位),進(jìn)行采樣,如有波形,則接收換能器完好、發(fā)射換能器故障,否則,收、發(fā)徑向換能器均有故障。3)發(fā)射正常、接收時(shí)好時(shí)壞。換能器剛下水測(cè)試時(shí)波形正常,一會(huì)兒波形逐漸異常,甚至無接收波形,提出聲測(cè)管后波形正常,或提出聲測(cè)管、待換能器干燥后波形正常。該現(xiàn)象是由于換能器信號(hào)線破損漏水、水密性喪失、遇水壓大時(shí)滲透到換能器主體造成,換能器故障,修復(fù)較為困難。4)樁頭最后一測(cè)點(diǎn)聲速、幅度急劇下降。某些樁在樁頭部位的最后一個(gè)或幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲參量急劇下降,而樁頭部位混凝土表現(xiàn)良好。該現(xiàn)象可能是使用機(jī)械設(shè)備剔除樁頭時(shí),引起聲測(cè)管與混凝土脫離(產(chǎn)生間隙)或者混凝土局部破損(產(chǎn)生裂隙)而造成,可在聲測(cè)管外壁或樁頭混凝土澆清水,該現(xiàn)象好轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

應(yīng)用聲波透射法對(duì)灌注樁樁身進(jìn)行完整性檢測(cè),具有準(zhǔn)確度高、可以由下而上逐點(diǎn)整樁全斷面的優(yōu)點(diǎn),不易漏判缺陷部位,檢測(cè)結(jié)果直觀反映了樁身各個(gè)部位混凝土的均勻性和存在缺陷的準(zhǔn)確位置、缺陷的嚴(yán)重程度等方面的信息,而且檢測(cè)不受樁長(zhǎng)和樁徑影響,是檢驗(yàn)樁基樁身混凝土質(zhì)量的一種科學(xué)的方法,但工程實(shí)際中影響因素眾多,如何避免誤差的出現(xiàn),完善聲波透射的檢測(cè)技術(shù),是需要研究和解決的一個(gè)問題,比如聲測(cè)管傾斜、盲區(qū)的測(cè)試等相關(guān)問題還需進(jìn)一步研究,以期能使聲波透射法在樁基檢測(cè)中得以更好的應(yīng)用。

[1]羅騏先.樁基工程檢測(cè)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]JGJ 106-2003,建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]陳 凡,徐天平.樁基質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.