聲波透射法在灌注基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究

鄭明燕，孫洋波

(1.中國地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074;2.上海港灣工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)有限公司，上海 200000)

目前對(duì)混凝土灌注樁的檢測(cè)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是樁的承載力;二是樁身完整性。一般在設(shè)計(jì)無誤的前提下，如果樁身完整性達(dá)到要求，樁的承載力一般都能達(dá)到要求，而承載力合格的樁，其完整性不一定能滿足要求。因此，對(duì)于混凝土灌注樁來說，完整性檢測(cè)顯得尤為重要。對(duì)于幾種基樁樁身完整性檢測(cè)方法，鉆芯法是較為可靠、直觀的檢測(cè)手段，但該法只能反映局部范圍內(nèi)混凝土的質(zhì)量，且很難使用于長樁。低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法是目前認(rèn)為較能準(zhǔn)確測(cè)定缺陷的方法之一，但是受到淺部盲區(qū)、多缺陷和樁身過長等限制，無法測(cè)試出樁身淺部缺陷、多個(gè)缺陷及深部或樁底缺陷。總的來說，低應(yīng)變法樁身檢測(cè)對(duì)缺陷程度較小的樁，準(zhǔn)確率很低僅為12%，與它形成鮮明對(duì)比的是超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確率幾乎高達(dá)100%，運(yùn)用聲波透射法檢測(cè)樁身完整性以及基樁質(zhì)量在現(xiàn)代大型的高層建筑、公路、橋梁工程中越來越普及。

1 聲波透射法基本理論及檢測(cè)技術(shù)

1.1 聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁工作原理

在被測(cè)樁內(nèi)預(yù)埋若干根豎向相互平行的聲測(cè)管作為檢測(cè)通道，將超聲脈沖發(fā)射換能器與接收換能器置于聲測(cè)管中，管中注滿清水作為耦合劑，由儀器發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖，穿過待測(cè)的樁體混凝土，并經(jīng)接收換能器被儀器所接收，判讀出超聲波穿過混凝土的聲時(shí)、接收波首波的波幅以及接收波主頻變化等參數(shù)?；炷潦怯啥喾N材料組成的非勻質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，超聲脈沖信號(hào)在混凝土的傳播過程中因發(fā)生繞射、折射、多次反射及不同的吸收衰減，使發(fā)射信號(hào)在混凝土中傳播的時(shí)間、振動(dòng)幅度、波形及主頻等發(fā)生變化，這樣接收信號(hào)就攜帶了有關(guān)傳播介質(zhì)的密實(shí)缺陷情況、完整性等信息。當(dāng)混凝土中有缺陷時(shí)，接受信號(hào)發(fā)生畸變，通過對(duì)接收信號(hào)的各種聲參量進(jìn)行綜合分析，即可對(duì)樁身混凝土的完整性、內(nèi)部缺陷性質(zhì)、位置以及樁混凝土總體均勻性等級(jí)等做出判斷。

1.2 檢測(cè)方法及儀器

聲波透射法測(cè)樁常用的檢測(cè)方法根據(jù)聲測(cè)管埋置的不同情況分為:雙孔檢測(cè)、單孔檢測(cè)和樁外孔檢測(cè)。根據(jù)探頭升降方式分為:水平同步法、高差同步法、扇形掃射法、聲陰影重疊法等。檢測(cè)儀器采用超聲波檢測(cè)儀，超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 基樁聲波透射法現(xiàn)場檢測(cè)示意

1.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理與判定

基樁的聲波透射法檢測(cè)需要分析和處理的主要聲學(xué)參數(shù)是聲速、波幅、主頻，同時(shí)要注意對(duì)實(shí)測(cè)波形的觀察和記錄。

1.3.1 樁身完整性及缺陷判定方法

對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判定的方法主要有:概率法、PSD判斷法、NFP判斷法等。概率法主要依靠聲時(shí)作為判斷依據(jù)。PSD判斷法主要依據(jù)聲時(shí)斜率及相鄰兩點(diǎn)聲時(shí)差值的乘積作為判斷依據(jù)。NFP判斷法主要結(jié)合聲時(shí)、波幅、頻率等參數(shù)，通過其總體的概率分布特征，獲得一個(gè)綜合判斷值NFP來判斷缺陷。

1.3.2 樁身完整性及缺陷判據(jù)

1)聲速判據(jù):用平均聲速減去2倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為判斷有無缺陷的臨界值。

2)波幅判據(jù):波幅(衰減量)對(duì)缺陷反映非常敏感，用接收信號(hào)能量的平均值的一半作為判斷有無缺陷的臨界值。

3)K·ΔT判據(jù):用聲時(shí)—高程曲線上相鄰兩測(cè)點(diǎn)的斜率K及相鄰兩點(diǎn)聲時(shí)值ΔT的乘積K·ΔT作為判斷缺陷的判據(jù)。

1.3.3 樁身混凝土勻質(zhì)性判據(jù)

以聲速的離異系數(shù)Cv作為樁身混凝土勻質(zhì)性的判據(jù)。

1.3.4 樁身混凝土缺陷的綜合判定

聲波結(jié)果分析是通過聲速、聲幅、頻率隨深度的變化及現(xiàn)場采集波形畸變程度綜合評(píng)定的，進(jìn)而判定樁身缺陷程度、位置，評(píng)定成樁質(zhì)量(如表1)。用于判斷樁身混凝土缺陷的多個(gè)聲學(xué)指標(biāo):聲速、波幅、主頻、實(shí)測(cè)波形各有特點(diǎn)，但均有不足。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，既不能惟“聲速論”，也不能不分主次將各種判據(jù)同等對(duì)待。聲速與混凝土的彈性性質(zhì)相關(guān)，波幅與混凝土的彈塑性相關(guān)，采用以聲速、波幅判據(jù)為主的綜合判定法對(duì)全面反映混凝土這種彈塑性材料的質(zhì)量是合理的、科學(xué)的處理方法。現(xiàn)場檢測(cè)與綜合分析可按以下步驟:

1)采用平測(cè)法對(duì)樁的各檢測(cè)剖面進(jìn)行全面普查;

2)對(duì)各檢測(cè)剖面的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析確定異常測(cè)點(diǎn);

3)對(duì)各剖面的異常測(cè)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)測(cè)加密測(cè)試;

4)綜合各個(gè)檢測(cè)剖面細(xì)測(cè)的結(jié)果推斷樁身缺陷的范圍和程度;

5)在對(duì)缺陷的幾何范圍和程度做出推斷后，對(duì)樁身完整性類別的判定可按各種類別樁的特征進(jìn)行。

表1 聲波穿過不同缺陷程度混凝土的聲學(xué)參數(shù)差異

現(xiàn)在要說明的是，由聲速、波幅參量確定了缺陷臨界值后，便可以把樁身缺陷部位劃分出來，但卻無法推定缺陷的類別，有時(shí)甚至還難于對(duì)缺陷加以推定，這是因?yàn)橛陕曀俸筒ǚ鶃泶_定缺陷的測(cè)試屬于相對(duì)比較測(cè)量法，另外由聲速、波幅推定出的缺陷是多解的，其解不是唯一的。樁身完整性的推斷解釋必須掌握灌注樁全部制作過程的技術(shù)資料和檔案做為分析判斷樁身完整性、有無缺陷、是何種缺陷的佐證，才有可能比較正確地對(duì)樁身完整性及缺陷性質(zhì)做出推斷解釋，例如:

1)由成孔方式可推斷缺陷是否可能夾泥;

2)由地下水條件及混凝土灌注方法、施工記錄來判斷缺陷是否可能離析;

3)由澆灌過程是否連續(xù)或中斷，判斷缺陷是否是二次澆注面或斷樁;

4)由地層中的黏土層及黏土的塑性指數(shù)、終孔后距離澆注時(shí)間的長短，判斷是否可能出現(xiàn)嚴(yán)重縮徑使檢測(cè)管外露。從而排除這個(gè)部位的樁身是否存在其它缺陷，避免誤判后抽芯抽不到缺陷的尷尬局面等。

1.3.5 樁身混凝土質(zhì)量現(xiàn)有評(píng)定方法的不足

基樁檢測(cè)的相關(guān)規(guī)范中，根據(jù)樁身是否存在缺陷及存在缺陷的嚴(yán)重程度，將樁的完整性分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四個(gè)類別，并依據(jù)各檢測(cè)剖面的聲學(xué)參數(shù)異常點(diǎn)的分布情況及異常點(diǎn)的偏離程度，決定被測(cè)樁的完整性類別。但由于混凝土是集結(jié)型的復(fù)合材料，多相復(fù)合體系，分布復(fù)雜界面(骨料、氣泡、各種缺陷)，加上灌注樁的混凝土需要自密實(shí)、地質(zhì)條件以及成樁工藝復(fù)雜等情況，因此其檢測(cè)的聲參量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，在實(shí)際測(cè)試的過程中完全不出現(xiàn)異常測(cè)點(diǎn)的可能性較小，因此不能機(jī)械地理解并執(zhí)行規(guī)范中樁身完整性的判定標(biāo)準(zhǔn)，否則工程上很難有Ⅰ類樁，也不符合樁的完整性分類的定義。因此上述理論異常點(diǎn)只是可能的缺陷點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)異常點(diǎn)的實(shí)測(cè)聲速、波幅、波形與正?；炷恋钠x程度和畸變程度，異常點(diǎn)的波形與正?；炷恋牟ㄐ蜗啾鹊幕兂潭染C合判定。

2 聲波透射法檢測(cè)灌注樁實(shí)例分析

某跨海大橋樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁身直徑 φ 2 200 mm，樁長 101 m。采用目前最先進(jìn)的ZBL-U520A型非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)試驗(yàn)樁完整性進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)樁預(yù)埋4根檢測(cè)管，呈正方形布置于鋼筋籠的內(nèi)側(cè)并使其保持平行(如圖2)，管內(nèi)注滿清水，作為聲波耦合劑。檢測(cè)時(shí)采用普查和細(xì)測(cè)相結(jié)合。普查時(shí)采用對(duì)測(cè)方法，測(cè)量步距為25 cm，以同一高度等距離同步移動(dòng)，逐點(diǎn)測(cè)讀聲學(xué)參數(shù)并計(jì)錄換能器所處深度，檢測(cè)過程中經(jīng)常校核換能器所處高度。若檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，則采用間距加密或斜測(cè)等方法進(jìn)行細(xì)測(cè)。

圖2 聲測(cè)管位置示意

圖3 試驗(yàn)樁超聲波檢測(cè)波形(1)

從現(xiàn)場各剖面的檢測(cè)結(jié)果可看出，在樁頂以下－45.5～－46.8 m范圍內(nèi)全斷面存在嚴(yán)重缺陷，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)(聲時(shí)、聲速、波幅等)明顯異常;－4.6 m處附近存在缺陷，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)(聲時(shí)、聲速、波幅等)異常，檢測(cè)波形如圖3、圖4。缺陷處聲速、聲幅明顯低于臨界值，且PSD曲線明顯突變，該處聲波波形包絡(luò)線呈喇叭形、嚴(yán)重畸變、扭曲，波形特征如圖5(a)所示。其余部分混凝土質(zhì)量密實(shí)、均勻，相鄰測(cè)點(diǎn)聲速、聲幅變化較小，PSD曲線接近直線，波形特征如圖5(b)所示。隨后施工單位對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行了鉆孔取芯，結(jié)果與超聲波檢測(cè)一致。在多次討論后，施工單位對(duì)缺陷部位進(jìn)行高壓水下切割、清渣及壓漿等處理。壓漿后又對(duì)其進(jìn)行了第二次超聲波檢測(cè)，經(jīng)對(duì)檢測(cè)波形分析，檢測(cè)結(jié)果與壓漿前所進(jìn)行的第二次檢測(cè)結(jié)果基本相同，各項(xiàng)異常檢測(cè)指標(biāo)的位置、范圍、程度也基本一致。后經(jīng)與施工單位分析原因，該樁缺陷為灌注過程中因施工不連續(xù)造成，即由于施工停料，灌注間歇時(shí)間過長，而導(dǎo)致樁身缺陷。在未及時(shí)進(jìn)行技術(shù)處理的情況下，直接灌注樁體上部混凝土而形成斷樁。在該工程中，采用聲波透射法檢測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)安全隱患，工程質(zhì)量得到有效控制。

圖4 試驗(yàn)樁超聲波檢測(cè)波形(2)

圖5 試驗(yàn)樁實(shí)測(cè)聲學(xué)參數(shù)特征

3 結(jié)語

采用聲波透射法進(jìn)行灌注樁完整性檢測(cè)能夠準(zhǔn)確地判斷出樁基是否有斷樁、夾層、空洞、泥團(tuán)、蜂窩、縮徑等缺陷，是一種非常直觀、可靠的方法，通過本次的工程實(shí)際檢測(cè)，效果良好。近年來許多橋梁樁基都采用聲波透射法檢測(cè)來控制工程質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，檢測(cè)儀器性能的不斷改進(jìn)以及檢測(cè)人員技術(shù)水平的不斷提高，超聲波透射法測(cè)樁技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

［1］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ106—2003 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］陳凡，徐天平，陳久照，等.基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］韓小敏.聲波透射法在基樁質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

［4］胡在良，李晉平，張佰戰(zhàn)，等.基樁聲波透射法檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2008(12):20-22.