超聲波法在橋梁樁基檢測中的應用研究

陳王劍

(貴州省交通科學研究院有限責任公司)

0 引 言

樁基作為我國橋梁工程最為常用的基礎形式，具有承載能力較高以及抗震性能強的特點，能夠?qū)蛄汗こ躺喜拷Y(jié)構(gòu)的荷載有效的傳遞到土層或者巖層結(jié)構(gòu)中，對于提高橋梁工程的穩(wěn)定性，緩解橋梁基礎的沉降也具有重要的作用。然而由于樁基施工作業(yè)過程中容易受到工程地質(zhì)條件、施工工藝、施工水平以及作業(yè)管理等各方面因素的影響，導致橋梁樁基出現(xiàn)斷裂、縮頸、混凝土離析或者是夾雜泥沙等問題的發(fā)生，不僅影響樁基的承載能力，甚至有可能造成橋梁工程安全事故的發(fā)生。因此，必須強化橋梁樁基檢測管理，尤其是樁基的無損檢測技術，以便于評估橋梁樁基的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確保樁基工程施工質(zhì)量以及橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的安全可靠。

1 超聲波法進行樁基試驗檢測的基本原理

采用超聲波法進行樁基檢測，根據(jù)超聲波的傳播以及接收途徑不同，可以分為回波法以及透射法兩種形式?；夭ǚㄖ饕m用于均勻的介質(zhì)，例如對于金屬等結(jié)構(gòu)的檢測。對于主要由非均勻的混凝土以及鋼筋等材料組成的樁基，主要是采用透射法進行試驗檢測。

利用透射法檢測橋梁樁基的原理為在橋梁樁基工程施工階段，在混凝土樁基內(nèi)事先預埋檢測管作為超聲波法的檢測通道，并在檢測管內(nèi)灌注足量的清水作為試驗檢測的耦合劑，然后將超聲波檢測設備的超聲波發(fā)射探頭與接收探頭置于聲測管的兩側(cè)，超聲波檢測設備所發(fā)出的超聲波脈沖在經(jīng)過需要檢測的樁基后，由接收器接收，進而得到超聲波脈沖經(jīng)過樁基的時間、超聲波穿過后的波幅、超聲波的主頻率、超聲波波形以及頻譜等一系列的參數(shù)。由于超聲波在混凝土傳播的過程中，超聲波的強度會發(fā)生散射、吸收或者是擴散衰減，因而可以通過這些參數(shù)作為判斷分析的依據(jù)，對混凝土樁基的施工質(zhì)量以及存在缺陷的位置進行判斷分析，并對樁基混凝土的強度以及均勻性作出最后的評價。利用超聲波法進行樁基檢測的原理如圖1 所示。

圖1 超聲波法進行樁基試驗檢測示意圖

2 超聲波透射法樁基檢測的準備工作

(1)預埋聲測管。利用透射法檢測樁基工程質(zhì)量需要在樁基內(nèi)事先預埋聲測管，對于樁基直徑不足1.5 m 的情況一般埋設三根聲測管，樁基直徑在1.5 m 以上的通常需要埋設四根聲測管以便于對樁基施工質(zhì)量進行檢測。聲測管的材質(zhì)盡量選擇使用金屬管，管間的連接宜采用螺紋連接，聲測管內(nèi)徑應該至少大于換能器的外徑1.5 cm。聲測管可以采取與鋼筋籠一同綁扎的方式安裝，并在聲測管的地步進行封閉，管口高出樁基30 cm，為避免雜物進入應加封口蓋。聲測管埋置方式如圖2、圖3 所示。

圖2 圓形樁聲測管布置圖

圖3 矩形樁聲測管布置圖

(2)儀器設備的檢查。在開始樁基質(zhì)量檢驗之前，應該對超聲波法的試驗儀器設備進行檢查，確保通電后各項儀器設備的正常。儀器設備主要有聲波測試儀、換能器(通常使用柱狀徑向振動的換能器)以及顯示系統(tǒng)組成。此外，還應該對超聲波透射法檢測的延遲時間以及聲時修正值進行檢測，聲時修正值t'的計算公式所示

式中:D 為聲測管的外徑，mm;D 為聲測管內(nèi)徑，mm;d'為換能器外徑，mm;vt為聲測管壁厚度方向聲速，km/s;vw為水的聲速，km/s。

3 超聲波透射法樁基質(zhì)量檢測

3.1 超聲波透射法試驗檢測流程

首先應該將發(fā)射換能器以及接收換能器在安裝扶正器后置于聲測管之中，并確保能夠在聲測管內(nèi)部順利的升降。然后調(diào)整超聲波檢測儀器的具體參數(shù)，使接收信號具有較高的信噪比，波幅能夠在顯示器中得到確認。測點的間距應當在0.2 ～0.5 m 左右，如果在試驗檢測過程中發(fā)現(xiàn)異常情況，應該適當?shù)膶y點進行加密。發(fā)射以及接收換能器應該在同一標高或者是相差固定的高度進行檢測，檢測盡可能的從聲測管的底部自下而上的開展，對超聲波的行聲時、波幅及接收波頻率等參數(shù)進行測量，對于各種不正常的波形應當及時的記錄，并通過平測、斜測、雙向斜測及扇形掃測等方式進行加密測量。對于存在多根聲測管的樁基，應該以兩根聲測管作為一組，分組進行樁基質(zhì)量的試驗檢測。

在對樁基的每組聲測管試驗檢測結(jié)束后，應該對樁基進行隨機的重復性的試驗檢測，抽檢量應該控制在樁基試驗檢測量10% ～20%，盡可能的控制聲時相對標準差在5%范圍內(nèi)，波幅相對標準差在10%范圍內(nèi)，對于聲時及波幅存在明顯異常的情況應該進行重復測試，以準確的反映試樁基驗檢測質(zhì)量。

3.2 超聲波透射法樁基檢測數(shù)據(jù)的處理

(1)聲時、聲速值以及波幅衰減值的計算。聲時、聲速值以及波幅衰減值等試驗檢測指標的計算公式(2)所示

式中:tci為樁基第i 測點的聲時，us;Ti為第i 測點的聲時原始測量值，us;t0為超聲波檢測系統(tǒng)的延遲時間;t 為聲時修正值;I 為兩根聲測管外壁間的凈距;Vi為第i 測點的聲速，km/s;A 為第i 測點的聲波波幅衰減值;Ai為第i 測點的聲波波幅值;C 為常數(shù)CA/D 轉(zhuǎn)換的最大值。

(2)橋梁混凝土樁基完整性的確定。對于混凝土樁基完整性的判斷，主要是結(jié)合臨界值、聲速、波幅衰減臨界值等幾項指標進行確定。橋梁混凝土樁基缺陷的判定條件公式(3)所示

式中:VD為超聲波的聲速臨界值，km/s;Vm為聲速平均值，km/s;Sv為聲速標準差，km/s;AD為波幅衰減臨界值，dB;Am為波幅衰減平均值，dB。

對于測試結(jié)果，如果同時滿足Vi＜VD和Ai＞AD公式條件時，表明該測點可視為缺陷點，但是如果僅僅滿足Vi＜VD公式條件時，可以初步判定為橋梁樁基的可疑缺陷點。此外，在對樁基的完整性進行判定過程中，還應該綜合對頻率和接收波波形等進行分析。在明確同一樁基的缺陷測點之后，應該對樁基整體施工質(zhì)量進行評定，利用超聲波透射法檢測橋梁樁基完整性的具體評定方法如表1 所示。

表1 超聲波檢測抗完整性評定表

4 結(jié) 語

超聲波法作為橋梁樁基無損檢測的重要方法，可以準確的反映橋梁樁基的實際情況，而且技術成熟可靠，操作簡單方便，對于提高樁基試驗檢測效率具有重要的作用。相關技術檢測人員在利用超聲波法進行樁基試驗檢測過程中，必須明確超聲波法的工作原理，嚴格按照《公路工程基樁動測技術規(guī)程》中的相關要求進行操作，并科學合理的進行數(shù)據(jù)的分析處理，確保超聲波檢測的準確度，為橋梁樁基工程施工質(zhì)量控制提供嚴謹?shù)脑u判依據(jù)。

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