樁身檢測的聲波透射法及對缺陷位置與體積的定性確定

連云飛

【摘 要】高層建筑及橋梁等構(gòu)筑物的主要基礎(chǔ)形式多采用混凝土灌注樁，由于單樁承載力大，施工方便，施工進(jìn)度快等一系列優(yōu)點，成為建筑工程的首選基礎(chǔ)形式。由于灌注樁在灌注混凝土?xí)r均在水下進(jìn)行，造成了對灌注質(zhì)量監(jiān)控的困難，往往會構(gòu)成一些質(zhì)量缺陷。常見的樁基缺陷主要有縮頸、夾泥、斷樁、集中氣孔、樁頂?shù)蛷?qiáng)、孔洞、嚴(yán)重離析、樁底沉渣等，影響整個工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】樁身檢測；聲波透射法；缺陷位置；缺陷體積；定性確定；無損檢測；隱蔽工程

0 引言

聲波透射法是通過將超聲探頭放入預(yù)埋在樁身內(nèi)部的縱向聲測管道，超聲波透過耦合介質(zhì)在混凝土內(nèi)部傳遞，對樁身進(jìn)行逐段探測的方法。因此，聲波透射法對樁身混凝土缺陷的判斷，比其它低應(yīng)變動力法更為直觀可靠，尤其是當(dāng)樁身內(nèi)部存在多重缺陷的情況，避免了低應(yīng)變法對下層缺陷的漏判。因此，在工程實踐中，人們越來越認(rèn)識到超聲波檢測的優(yōu)越性，并獲得了廣泛的應(yīng)用。

一般認(rèn)為，灌注樁的質(zhì)量通常包含兩方面的內(nèi)容：其一是樁的承載力；其二是樁內(nèi)混凝土的密實度、連續(xù)性、均勻性及其強(qiáng)度，即所灌注的混凝土內(nèi)部是否存在缺陷和達(dá)到所要求的強(qiáng)度等級。實踐證明，灌注樁（尤其是大直徑灌注樁）的質(zhì)量主要是由后者控制的，這是由于灌注樁施工時很易形成缺陷，而缺陷樁的早期承載力未必達(dá)不到設(shè)計要求；據(jù)某地對200多根樁進(jìn)行控制性壓樁試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其中有10%-15%的缺陷樁，而承載力不能滿足要求的僅占5%-10%，那些承載力已達(dá)到要求的缺陷樁，在長期應(yīng)力及地下環(huán)境的侵蝕下，仍有可能失去承載能力；灌注樁應(yīng)以樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性及強(qiáng)度作為質(zhì)量主要指標(biāo)。

1 聲波透射法檢測樁身缺陷的原理

超聲波在混凝土的傳播過程中攜帶著有關(guān)混凝土材料性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組成的信息，當(dāng)超聲波在傳播路徑上遇到缺陷時，會在局部范圍內(nèi)繞射、散射和反射，因而可以通過超聲波能量的衰減、波速的變化和波形的畸變，就可以推斷混凝土的性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組成情況。超聲波對混凝土缺陷的檢測采用以下4點作為判別缺陷的基本依據(jù)：

（1）根據(jù)低頻超聲波在混凝土中遇到缺陷時的繞射、反射、散射現(xiàn)象，按照聲時及聲程的變化，判別并計算缺陷的大小；

（2）根據(jù)超聲波在缺陷界面上產(chǎn)生散射及被吸收，接收探頭接收到的能量顯著衰減，據(jù)此判斷缺陷的存在及大?。?/p>

（3）根據(jù)超聲脈沖不同頻率成分在遇到不同缺陷時衰減的程度不同，接收頻率存在各異性，或依據(jù)接收波頻譜與反射波頻譜之間的差異，判別樁基混凝土內(nèi)部缺陷；

（4）根據(jù)超聲波在缺陷處的波形連續(xù)性遭到破壞，造成接收波不同頻率和相位的疊加使得波形畸變的現(xiàn)象判別缺陷。

2 聲波透射法對樁身缺陷位置與體積的定性確定

2.1 樁身缺陷的豎向范圍

當(dāng)采用常規(guī)的超聲波水平同步法對樁基進(jìn)行檢測時，根據(jù)前述4點判據(jù)對樁基質(zhì)量產(chǎn)生疑問，懷疑其存在缺陷時，需要對重點部位加密測量和斜測，藉此確定缺陷的范圍。

對可疑測區(qū)，首先進(jìn)行加密檢測，由常規(guī)測量點距25cm縮至5cm-10cm，核實可疑測區(qū)的異常情況，并確定藉此異常部位的縱向范圍；然后通過斜測法對異常區(qū)域做進(jìn)一步的探測。所謂斜測法就是將發(fā)射、接受換能器錯開一定的高程差，錯開距離一般在1m-2m之間，在聲測管內(nèi)以相同的提升速度同步提升進(jìn)行測試，斜測又可以分為單項斜測與交叉斜測，如圖1所示。

圖1 示意圖

在樁頂或者樁底斜測范圍受限制時，為了減少換能器的升降次數(shù)，扇形檢測可以作為一種輔助手段。扇形檢測就是將一只換能器固定在某高程不動，另一只換能器依次逐點移動，將測線按扇形分布，扇形掃測時可以選擇各種不同的發(fā)射點。由于在扇形掃描中各測點測距不等，雖然波速可以通過計算得到，但振幅測值的可比性較差，所以并不常用。

通過多次多個方向的透射，逐次獲得這個陰影區(qū)的一部分邊界位置，利用重疊的方法獲得整個陰影區(qū)的邊界，查明缺陷的空間位置和幾何形狀；利用作圖的方法可以確定局限性缺陷在樁身橫截面中的邊界，把多個檢測剖面中同一個橫截面的缺陷邊界投影到該橫截面上去。

需要只指出的是：由于混凝土是一種彈粘塑性體，結(jié)構(gòu)多相性，超聲脈沖波在混凝土內(nèi)部傳播過程中，混凝土內(nèi)部存在大量的低頻波的繞射和漫反射，在確定陰影邊界的時候有必要對混凝土缺陷界面的聲波進(jìn)行綜合分析，才能準(zhǔn)確定位，即便如此，采用陰影重疊法或得的缺陷邊界也是很模糊的。

2.2 樁身缺陷的平面范圍

利用缺陷位置與有限介質(zhì)內(nèi)接收聲場的關(guān)系（圖2）：

圖2 缺陷在聲場的不同位置

2.2.1 缺陷在A處時，處在發(fā)射接收聲場內(nèi)，且通過發(fā)射、接收的連線，此時，聲波需要繞過缺陷區(qū)域才能達(dá)到接收換能器，聲程加長，導(dǎo)致聲時變大，波速下降，由于缺陷對聲能的吸收，波幅會下降。

2.2.2 缺陷在B處時，處在發(fā)射接收聲場內(nèi)，但沒有通過發(fā)射、接收的連線，此時聲時為正常穿越時的聲時值，無任何變化，由于缺陷對聲能的部分遮擋與吸收，導(dǎo)致波幅下降。

2.2.3 缺陷在C處時，處在發(fā)射接收聲場外，聲波在發(fā)射——接收范圍能正常傳播，能量無損失，聲時、波幅、波速都無任何變化，即發(fā)現(xiàn)不了缺陷C。

當(dāng)埋設(shè)三根以上聲測管時，根據(jù)有效聲場的概念，（下轉(zhuǎn)第98頁）（上接第117頁）可以聲時、波幅來推斷水平面上的缺陷分布范圍。

（a） （b） （c） （d）

圖3 缺陷范圍圖

（1）對樁基3個測面進(jìn)行超聲波檢測后，如果AB檢測面波幅、聲時出現(xiàn)異常；BC檢測面的波幅異常，聲時正常；AC檢測面無異常狀態(tài)，那么我們可斷定缺陷分布范圍如圖3（a）圖所示。

（2）對樁基3個測面進(jìn)行超聲波檢測后，如果僅AB測面聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常，AC、BC面均正常，我們可以斷定缺陷分布范圍如圖2.3（b）圖所示。

（3）如圖3（c）所示，C聲測管周圍被泥團(tuán)包裹，經(jīng)聲波透射法后，AC、BC檢測面均會出現(xiàn)異常波幅、波速。這種情況極易造成對樁基質(zhì)量的誤判，因此不宜盲目的定下結(jié)論，需對樁基進(jìn)行加密檢測和斜測，綜合各種判據(jù)后做最后結(jié)論。

（4）如圖3（d）所示，當(dāng)缺陷處于樁基的中心位置時，正好是3個聲測管接收聲場范圍以外，數(shù)據(jù)檢測的盲區(qū)，也是容易出現(xiàn)誤判的情況，因此，當(dāng)對3根聲測管的樁基聲波透射法有疑問，需要鉆孔取芯驗證的時候，不可在樁基中心鉆孔。

3 結(jié)束語

總之，基樁的準(zhǔn)確檢測對于各類建筑物基礎(chǔ)乃至上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計起著舉足輕重的作用。如果能準(zhǔn)確的判斷出缺陷的類型、測出缺陷的位置及程度，能夠較準(zhǔn)確的指導(dǎo)后面的缺陷處理工作，從而很好的解決問題。缺陷的定量分析在樁基檢測的評定中也占據(jù)很重要的地位，只有準(zhǔn)確的知道樁的缺損程度，才能確定其對樁基承載能力的影響程度，以便對樁作出整體評價，采取合理的補(bǔ)救措施。

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[責(zé)任編輯：曹明明]