混凝土灌注樁樁身質(zhì)量缺陷聲波透射法檢測(cè)分析

孟軍濤，顏勝才，陳 輝，董承全，胡在良

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

20世紀(jì)50年代，隨著大型鉆孔機(jī)械的發(fā)展出現(xiàn)了鉆孔灌注樁或鋼筋混凝土灌注樁[1]。在我國(guó)鐵路的建設(shè)中，灌注樁被運(yùn)用得越來越廣泛，在施工過程中樁身質(zhì)量缺陷時(shí)有出現(xiàn)。為了保證工程質(zhì)量，越來越多的檢測(cè)方法被引入，聲波透射法作為一種準(zhǔn)確、有效且經(jīng)驗(yàn)性較小的檢測(cè)方法，于1984年在鄭州黃河大橋成功應(yīng)用，其后在全國(guó)迅速推廣[2]?！惰F路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[3]規(guī)定:樁徑≥2 m或樁長(zhǎng)＞40 m或復(fù)雜地質(zhì)條件下的基樁采用聲波透射法。聲波透射法適用于檢測(cè)混凝土灌注樁樁身缺陷位置、范圍、程度和判定樁身完整性類別。

本文從不同地質(zhì)條件下采用不同儀器應(yīng)用聲波透射法檢測(cè)的實(shí)例中選取幾種較為典型的缺陷工況(如斷樁、夾泥和露筋)予以分析，為工程基樁檢測(cè)工作提供參考。

1 聲波透射法原理

在混凝土中進(jìn)行聲波探測(cè)時(shí)，把混凝土視為彈性體，承載信息的是彈性聲波。由超聲脈沖發(fā)射源在混凝土內(nèi)激發(fā)高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在混凝土內(nèi)傳播一段路程后的透射波信號(hào)，根據(jù)波動(dòng)理論分析判定樁身完整性。當(dāng)混凝土內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時(shí)，界面阻抗發(fā)生變化。波到達(dá)該界面時(shí)，產(chǎn)生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明顯降低;當(dāng)混凝土內(nèi)存在松散、蜂窩、孔洞等缺陷時(shí)，將產(chǎn)生波的散射和繞射。根據(jù)首波的到達(dá)時(shí)間、波的能量衰減特征、頻率變化及波形畸變程度等特性，可以獲得測(cè)區(qū)范圍內(nèi)混凝土的聲學(xué)參數(shù)。測(cè)試記錄不同測(cè)試剖面聲波波動(dòng)特征，經(jīng)過處理分析判別測(cè)區(qū)內(nèi)混凝土存在缺陷的性質(zhì)、大小及空間位置。

目前，聲波儀均采用了閾值法判斷首波。圖1為聲波測(cè)試波形圖，聲學(xué)參數(shù)t為聲時(shí)，A為聲幅，T為周期。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)，即聲時(shí)變大(相應(yīng)的聲速降低)，波幅減小，波形畸變。通過分析聲速、聲幅、頻率隨深度的變化及現(xiàn)場(chǎng)采集波形的畸變程度，綜合判定樁身缺陷的程度、位置，從而評(píng)定成樁質(zhì)量。

圖1 聲波測(cè)試波形

2 混凝土灌注樁常見質(zhì)量缺陷

1)泥漿護(hù)壁灌注樁常見質(zhì)量缺陷

①澆灌過程出現(xiàn)停頓，隔水層混凝土凝固形成斷樁，或采用加大管內(nèi)混凝土壓力等方法沖破隔水層，因部分低質(zhì)混凝土殘留下來而形成局部缺陷。②導(dǎo)管和鋼筋占據(jù)一定空間，加上孔壁和鋼筋的摩擦力作用，容易造成縮徑、局部夾泥甚至斷樁。③護(hù)壁泥漿配制不合理，容易塌孔。④混凝土灌注過程中埋管深度不夠，易使樁身中夾渣或斷樁;埋管深度過深，則易堵管或?qū)Ч懿灰装纬鲈斐蓴鄻?。⑤混凝土灌注接近樁頂時(shí)，灌注壓力不夠，抖動(dòng)導(dǎo)管或拔管過快，易使混凝土局部不密實(shí)和夾渣。⑥清孔時(shí)間太短導(dǎo)致孔底沉渣太厚。⑦混凝土和易性不好易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

2)人工挖孔灌注樁常見質(zhì)量缺陷

①地下水滲流嚴(yán)重，易使護(hù)壁崩塌和土體失穩(wěn)塌方，影響成樁質(zhì)量;②有流沙層或水壓力大的孔底出現(xiàn)井涌現(xiàn)象，使護(hù)壁與土體脫空或造成孔形不規(guī)則;③孔底水未抽干或不易抽干易造成混凝土離析[4]。

3 工程實(shí)例

1)某特大橋位于山區(qū)，采用3×32 m簡(jiǎn)支梁+(72+128+72)m連續(xù)剛構(gòu)+7×32 m簡(jiǎn)支梁+1×24 m簡(jiǎn)支梁。由于下伏基巖為泥質(zhì)石英粉砂巖且埋深較淺，再加上機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸不便，基礎(chǔ)采用挖孔灌注樁。其中4-4#樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)28 m，樁徑2.5 m，強(qiáng)度C25，應(yīng)用聲波透射法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在距樁頂約23 m處6個(gè)檢測(cè)剖面均存在異常，檢測(cè)波形見圖2(a)。聲波波速、波幅明顯偏小，波形嚴(yán)重畸變、扭曲，甚至很微弱。整個(gè)包絡(luò)線呈喇叭形。由于波形為典型的層狀缺陷，判定該樁在22.9～23.5 m處斷樁。由鋼筋籠中間鑿孔進(jìn)行驗(yàn)證，在約23 m處存在嚴(yán)重缺陷，與判定吻合，見圖2(b)。該樁位于山邊，由于灌注過程中遭遇暴雨，沒有及時(shí)做好防護(hù)措施，大量雨水流入樁孔導(dǎo)致出現(xiàn)缺陷。

圖2 某特大橋4-4#樁檢測(cè)波形及缺陷驗(yàn)證

2)某特大橋284-5#樁為鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)45 m，樁徑 1.0 m，強(qiáng)度 C40。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在距樁頂2.2～2.8 m處2個(gè)檢測(cè)剖面波形異常，有明顯缺陷。其中2.6 m處檢測(cè)波形畸變，近乎直線，幾乎無法檢測(cè)到首波，波幅很小，波速約為2 000 m/s，見圖3(a)。由于與1根聲測(cè)管有關(guān)的2個(gè)檢測(cè)剖面波形嚴(yán)重衰減，且波速與在黃土中傳播的聲波波速相似，故判斷該聲測(cè)管周圍夾泥，在樁橫截面上的缺陷范圍較大。該樁異常處距樁頂不深，且樁周為粉質(zhì)黏土，因此沿樁周開挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在約1.5 m處開始有擴(kuò)徑現(xiàn)象，樁身擴(kuò)徑部位之下混凝土夾泥，約占樁橫截面的70%，見圖3(b)。該缺陷是由于擴(kuò)徑處塌孔造成下部嚴(yán)重夾泥。

圖3 某特大橋284-5#樁檢測(cè)波形及缺陷驗(yàn)證

3)某特大橋293-3#樁為鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)47.5 m，樁徑1.0 m，強(qiáng)度 C40。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在距樁頂4.3～4.8 m處存在明顯缺陷，呈現(xiàn)不同程度的波形異常，首波聲時(shí)偏大，波幅減小，檢測(cè)波形如圖4(a)所示。對(duì)檢測(cè)波形進(jìn)行分析，不能確定是橫截面上混凝土離析還是樁周鋼筋籠附近存在缺陷。沿衰減最為嚴(yán)重的檢測(cè)剖面方向開挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該樁在此方向波形異常處存在樁身露筋，見圖4(b)。經(jīng)分析，由于成孔后沒有及時(shí)灌注混凝土，出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層厚度不夠，甚至局部鋼筋暴露出來。

圖4 某特大橋293-3#樁檢測(cè)波形及缺陷驗(yàn)證

4 樁身缺陷分析要點(diǎn)

1)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確判斷

混凝土樁身缺陷會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)波形發(fā)生異常，根據(jù)異常波形能判斷是否為全斷面缺陷例如斷樁，或?yàn)榫植咳毕?。但是局部露筋、小范圍夾泥或者混凝土質(zhì)量差等缺陷有相似的檢測(cè)波形，要準(zhǔn)確判斷缺陷的類型，則需要仔細(xì)分析各聲學(xué)參數(shù)的變化情況，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，并與已驗(yàn)證過的缺陷檢測(cè)波形進(jìn)行比對(duì)。

2)混凝土缺陷范圍

對(duì)于混凝土缺陷沿樁身的縱向位置，可由儀器記錄的檢測(cè)深度直接讀取;但對(duì)于缺陷的橫向范圍，現(xiàn)階段只能做簡(jiǎn)單的估算。如缺陷將聲測(cè)管包圍，聲波先透射過缺陷后繼續(xù)傳播。在不同介質(zhì)中聲波的傳播速度不同，例如在離析混凝土中比在泥中要高。結(jié)合在缺陷中傳播速度、正常聲速、管間距以及儀器采集到的首波聲時(shí)估算出缺陷大小。如缺陷出現(xiàn)在傳播路徑中時(shí)，則聲波繞射過此缺陷，根據(jù)與無缺陷相比首波的聲時(shí)差、管間距和正常波速，利用幾何關(guān)系對(duì)缺陷范圍進(jìn)行估算。

3)管間距測(cè)量

在檢測(cè)過程中需要測(cè)量聲測(cè)管間距，用來計(jì)算聲波波速。由于在施工安裝、灌注過程中聲測(cè)管可能會(huì)有所變形，導(dǎo)致管間距發(fā)生變化。管間距變小，聲時(shí)減小，波速變大，反之波速變小。雖然對(duì)缺陷的判定影響不會(huì)太大，但是導(dǎo)致聲速平均值和臨界值不準(zhǔn)確。

4)非混凝土缺陷造成的異常

聲波在異質(zhì)界面會(huì)因?yàn)槲蘸蜕⑸浒l(fā)生能量的衰減[1]。檢測(cè)時(shí)常用水作為耦合劑，但是在給聲測(cè)管注水時(shí)上部產(chǎn)生的大量氣泡未能釋放出來即開始檢測(cè)，樁頂處由于灌注壓力過小，可能會(huì)導(dǎo)致混凝土與聲測(cè)管不能緊密貼在一起，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，水分散失后存在縫隙，這樣都會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)波形異常，造成誤判。扇形掃測(cè)方式在檢測(cè)過程中特別是確定缺陷位置時(shí)會(huì)被用到，在向同一水平面位置提升或者降低時(shí)，聲學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，首波聲時(shí)會(huì)逐漸變小，聲幅會(huì)逐漸變大。這個(gè)漸變過程容易和樁身局部缺陷或者混凝土質(zhì)量缺陷混淆。

5)容易忽視的檢測(cè)波形

在開挖基坑截除樁頂多余部分時(shí)，因預(yù)留長(zhǎng)度不夠，會(huì)出現(xiàn)樁頭混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。由于在橫截面上混凝土可能仍然均質(zhì)，檢測(cè)波幅不會(huì)降低，并且到一定齡期后強(qiáng)度相差10 MPa時(shí)，聲波波速的變化僅為200 ～300 m/s[5]，兩相鄰聲時(shí)的變化(PSD)不大，而且波形也不會(huì)發(fā)生畸變，如不仔細(xì)觀察樁頭混凝土，僅對(duì)檢測(cè)波形進(jìn)行分析則容易漏判。

5 結(jié)語(yǔ)

利用聲波透射法進(jìn)行灌注樁樁身質(zhì)量檢測(cè)，灌注樁樁身混凝土的質(zhì)量情況能在聲波透射法波形圖上準(zhǔn)確地反映出來。進(jìn)一步區(qū)分缺陷類型如夾泥、露筋及混凝土自身質(zhì)量問題，則需綜合分析判斷。

對(duì)檢測(cè)波形進(jìn)行分析，可估算缺陷大致范圍。但在不同介質(zhì)中聲波傳播路徑以及聲速的不確定性給估算帶來一定難度。

為了合理判定缺陷，保證工程質(zhì)量，需要檢測(cè)人員以更細(xì)致、耐心的態(tài)度來對(duì)待聲波透射法檢測(cè)波形圖，并結(jié)合施工、地質(zhì)等因素，辨?zhèn)未嬲?，防止漏判和錯(cuò)判。

[1]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(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]吳慧敏.結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)新技術(shù)——混凝土非破損檢測(cè)[M].湖南:湖南大學(xué)出版社，1998.

[3]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10218—2008 鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

[4]劉興錄.樁基工程與動(dòng)測(cè)技術(shù)200問[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[5]胡在良，張佰戰(zhàn)，董承全.鐵路高性能混凝土基樁檢測(cè)波速與強(qiáng)度關(guān)系的研究[J].鐵道建筑，2011(7):94-98.