基樁聲測管的管材選用述評

楊仲元

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112）

0 引 言

隨著我國的交通基礎(chǔ)建設(shè)和城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，每年需要大量鋼材，國內(nèi)的鋼鐵礦產(chǎn)資源不斷地被過量開采。鋼鐵業(yè)早在21世紀初期已經(jīng)從國內(nèi)出口走向國外進口，大幅度的鋼材量進口影響著國內(nèi)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展。

2004－2013年近十年中國粗鋼產(chǎn)量變化如圖1所示，據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2013年我國鋼材總產(chǎn)量為7.79億噸，占全球總量的約48.5%。隨著國際鐵礦石原料價格不斷升高，鋼制產(chǎn)品價格會越來越高。

圖1 中國粗鋼總產(chǎn)量變化

煉鋼行業(yè)作為高耗能高污染行業(yè)，存在很大的“轉(zhuǎn)型”壓力。在全國各行業(yè)推廣減少對鋼材的依賴，是我國 “十二五”期間建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的重要舉措之一。其次，新型塑料管材因其價格相對低廉，在交通、市政等行業(yè)正在逐步替代一些高耗能的金屬管材，以塑代鋼是我國管材市場發(fā)展的主要趨勢之一。

1 普通鋼管

國內(nèi)外實際工程中聲測管普遍采用普通鋼管（黑鐵管），即直縫焊接鋼管和無縫鋼管，公稱直徑一般在DN50左右，壁厚在3mm以上，普通鋼管由于剛度好，在使用中甚至可以替代部分鋼筋截面，其缺點是壁厚大超聲波透過率低，且相對其它管材成本要高。普通鋼管作為聲測管的接口通常有螺紋連接和焊接兩種類型。其中建筑、市政等行業(yè)較小管徑的鋼管普遍螺紋連接，一些規(guī)程[1]相關(guān)條文里對普通鋼管建議均采用螺紋連接。焊接又可分為兩種形式：套管焊接和對接焊接，其中對接焊接抗彎折能力差，在安裝檢測管時為避免產(chǎn)生漏漿或者因直接對焊導(dǎo)致焊渣進入管內(nèi)堵塞通道，所以對接焊接不應(yīng)采用[2]。由于套管焊接比螺紋連接工作效率高，更適于工地現(xiàn)場作業(yè)，成為目前普通鋼管最主要的連接方式。

1.1 鋼質(zhì)波紋管

鋼質(zhì)波紋管外壁為薄壁波紋鋼板，具有管壁?。ū诤駆 mm左右）、鋼材省和抗?jié)B、耐壓、強度高、柔性好等特點，相比普通鋼管可以節(jié)省成本，但該管材不便采用螺栓連接和焊接方式，常采用橡膠套連接，即用6～10cm長橡膠套套接兩聲測管接口。但由于橡膠套材質(zhì)軟，無法保證聲測管管箍的強度與剛度，聲測管在安裝、施工過程中易出現(xiàn)錯位甚至脫開，而且橡膠套的熱膨脹系數(shù)與混凝土的相差懸殊，在混凝土灌注過程中水泥的水化熱不易發(fā)散，而橡膠溫度變形系數(shù)較大，混凝土凝結(jié)后橡膠套因溫度下降而產(chǎn)生收縮變形，有可能使之與混凝土局部脫開而造成空氣或水的夾縫，影響檢測信號，容易造成誤判。文獻 [3]報道了某橋墩樁在波紋管連接處由于橡膠套收縮變形導(dǎo)致的波形嚴重畸變，波速嚴重降低而造成誤判的工程實例。

1.2 鋼薄壁焊管

自從杭州灣跨海大橋施工起，各地在使用聲測管時，陸續(xù)開始用帶管箍的直徑50mm左右、壁厚1.0～1.8mm的薄壁焊管來代替普通鋼管，其優(yōu)點是顯著節(jié)省成本且超聲波透過性好[4]。薄壁焊管強度低，國內(nèi)一些企業(yè)對其連接方式做了很多探索和改進。目前廣泛應(yīng)用的是鉗壓式，其特點是承口端部為U型槽，內(nèi)設(shè)有特制的O形橡膠密封圈，安裝時將聲測管的插口端插入承口端，用專用的液壓鉗對U型槽及其一側(cè)部位同時進行擠壓。橡膠密封圈受擠壓后起密封作用，鉗壓部位插口端和承插口端的管材同時收縮變形 （剖面形成六角形狀）起定位固定作用，從而有效地實現(xiàn)了聲測管的連接。該方法操作簡單，可任意長度現(xiàn)場鋸切使用，具有很強的密封、抗扭矩、抗拉拔性能，已在交通運輸部的行業(yè)標準 《混凝土灌注樁用鋼薄壁聲測管及使用要求》（GB／T 705－2007）中推薦使用。

2 塑料聲測管的性能

從超聲波檢測角度來說，聲測管所用材料透射系數(shù)越高越好。超聲波從發(fā)射換能器到接收換能器，需穿過4個界面：水至聲測管界面，聲測管至樁身混凝土界面，樁身混凝土至聲測管界面，聲測管至水界面，上述4個界面的透射系數(shù)之積為總透射系數(shù)，應(yīng)伯宣等[5]根據(jù)計算，跨孔測量中采用鋼管時的聲波總透射系數(shù)只有0.071，而采用UPVC塑料管則為0.645，其數(shù)值十分接近樁身混凝土的最大透射系數(shù)0.646，可見采用UPVC塑料管比采用鋼管接受信號強。從使用成本看，一般單位長度塑料管的價格也比鋼管低，大規(guī)模使用可以節(jié)省成本。

硬聚氯乙烯 （UPVC）塑料管廣泛用于市政、建筑的流體輸送管道，目前應(yīng)用于聲測管的多是價格相對低廉的UPVC排水管道，管接口之間采用管箍 （一些文獻也稱為套管）進行膠水粘接，對UPVC聲測管美國材料試驗協(xié)會標準建議采用膠水粘接和螺紋連接。W.Y.Chan等[6]通過一系列試驗比較了UPVC聲測管和鋼管的聲波穿透能力，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，管徑從40mm至160mm范圍內(nèi)，通過UPVC管接受的信號強度是鋼管接受的信號強度的3到4倍；而且由于圓形管道斷面可以聚焦超聲波，接收端所在聲測管管徑增大導(dǎo)致接受的信號強度也增大。用DN75的UPVC管和鋼管分別作為聲測管，在相同情況下比較試驗檢測結(jié)果[5]，發(fā)現(xiàn)檢測出的聲波在混凝土中的平均傳播速度相差很小，平均波幅方面則是PVC管比鋼管高4.5db，可見在聲波能量傳播方面PVC管比鋼管有利，但還沒有保證UPVC聲測管的環(huán)剛度和強度，不適合推廣使用。UPVC芯層發(fā)泡管材[4]作為某實際工程50m深樁的聲測管，管徑DN50，壁厚3 mm。結(jié)果表明，UPVC管與傳統(tǒng)的鋼管相比更有利于聲波傳送，檢測數(shù)據(jù)更接近于混凝土材料。經(jīng)實際施工測試，大部分達到要求，管道貫通率達到90E，而施工成本則可節(jié)約53%。

UPVC管的缺點是其環(huán)剛度低，在采用排水用UPVC管道做聲測管時通常壁厚加大一號，將原DN50管道的壁厚改為DN75管道的壁厚，即壁厚在3mm以上。某工程用原來壁厚為1mm的UPVC管作聲測管，強度不夠，致使在灌注樁身混凝土?xí)r擠壓聲測管，使聲測管變形甚至破裂，水泥砂漿流入聲測管內(nèi)導(dǎo)致堵塞，后來壁厚改為3 mm才解決問題[7]。另外UPVC管外壁光滑，與混凝土粘結(jié)性差，美國材料試驗協(xié)會標準規(guī)定UPVC聲測管使用前外壁應(yīng)打磨粗糙。再者塑料材料的溫度變形系數(shù) （熱膨脹系數(shù)）大，當混凝土硬化后塑料管因水化熱散去而溫度下降產(chǎn)生收縮導(dǎo)致混凝土與塑料管局部脫開，從而造成誤判。J.C.Adams等[8]對某工程實例中聲測管與混凝土的脫開時，超聲波檢測出現(xiàn)的異常信號進行了評價，并提出了鑒定方法。而且，UPVC管耐熱性能差，在60℃以上環(huán)境抗拉強度下降，這對于大體積混凝土的灌注樁而言，其內(nèi)部散熱性差，盡管聲測管內(nèi)注有清水可以緩沖溫度上升，但能否保證所需的強度尚無人研究。

3 新型復(fù)合材料塑料管的創(chuàng)新設(shè)想

國內(nèi)外對聲波透射法的研究多集中在信號和數(shù)據(jù)的處理與分析、檢測儀器、軟件開發(fā)、檢測手段等方面，而針對非金屬管材、管道外壁設(shè)計、管道接口形式等方面的研究很少。在聲測管選用上，工程人員普遍對塑料管由于熱膨脹系數(shù)大、外壁光滑，導(dǎo)致混凝土與塑料管局部脫開顧慮較多而不愿使用。對于聲測管的材料研究，由于國內(nèi)外大多數(shù)研究集中于鋼質(zhì)聲測管的強度、連接和密封性，雖然在檢測技術(shù)和使用得到了普遍的推廣，但是鋼材的大量耗用和昂貴的檢測成本問題仍未得到緩解與解決。雖然國內(nèi)專利也有相關(guān)的塑料聲測管的開發(fā)，但是材料與結(jié)構(gòu)尚未得到進一步的研究。特別是能否考慮再生、經(jīng)濟和環(huán)保的塑料材料，亟待在管體結(jié)構(gòu)上加以創(chuàng)新與探索。

近年來塑料行業(yè)的迅猛發(fā)展，一些價廉優(yōu)質(zhì)的塑料管材在交通、建筑等行業(yè)開始替代一些金屬管材。當塑料加入玻璃纖維后，熱膨脹系數(shù)和蠕變成倍下降，目前市政用增強聚丙烯管材 （FRPP）就采用在聚丙烯材料中摻入一定比例的短切玻璃纖維，不僅熱膨脹系數(shù)降低，而且強度和低溫抗沖擊性能大大增強。如果基樁塑料管的外壁面采用增強纏繞帶、環(huán)形肋加強等異型結(jié)構(gòu)，不僅減少材料用量和造價，而且管道環(huán)剛度增加，波紋狀管外壁還能增加與混凝土的附著能力，可以減少塑料管與混凝土的脫開。這些技術(shù)都有利于塑料聲測管材的開發(fā)。

大多數(shù)基樁完整性檢測采用鋼管，全國每年用于基樁完整性檢測的鋼管數(shù)量約為72萬噸，占鋼材總產(chǎn)量的0.1%。如果取代基樁完整性檢測的鋼管，將大幅度減少全國的鋼管使用量，30年將節(jié)約近2100萬噸鋼材。因此，隨著各種新型塑料產(chǎn)品、復(fù)合材料產(chǎn)品不斷問世，有必要研究價格低、性能高、接口操作方便、環(huán)境效益良好的產(chǎn)品來替代鋼質(zhì)聲測管。

4 結(jié) 語

各種塑料管材的溫度膨脹系數(shù)相對于鋼材和混凝土都比較大。在與混凝土澆灌過程中由于水化熱反應(yīng)引起聲測管的熱脹冷縮，從而在澆筑冷卻后導(dǎo)致聲測管與混凝土之間存在間隙，影響聲波檢測的可靠性。因此，降低塑料管材的膨脹系數(shù)是其作為聲測管應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

復(fù)合管材作為管道的一個重要分支，也是塑料管道未來的發(fā)展方向。例如，在現(xiàn)有的塑料基材中，摻入具有高強度和極低膨脹系數(shù)的增強纖維如玻璃纖維、納米碳纖維等，通過設(shè)計制作工藝、材料配合比，制成高強度復(fù)合管材，并使管材的溫度膨脹系數(shù)與鋼管接近。通過膨脹系數(shù)、強度等技術(shù)指標的改進，可真正實現(xiàn)塑料聲測管的推廣應(yīng)用。

[1]JTG／T F81－01－2004，公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程[S].

[2]ASTM D6760－08，Standard Test Method for Integrity Testing of Concrete Deep Foundations by Ultrasonic Crosshole Testing[S].

[3]趙守全.基樁聲波透射法檢測中聲測管埋設(shè)問題的探討[J].甘肅科技，2008，24（11）：77－80.

[4]宋麗妹，沈桂平.PVC管在鉆孔樁檢測中的應(yīng)用[J].中國市政工程，2007，（A01）：75－77.

[5]應(yīng)伯宣，陳軍.淺談基樁檢測聲測管的選擇[J].上海地質(zhì)，2007，（2）：49－51.

[6]F.W.Y.Chan，S.W.F.Tsang.Effects of different sonic access tube materials on the signal strength of ultrasonic waves in the cross－h(huán)ole sonic logging technique[J].Transactions Hong Kong Institution of Engineers，2005，12 （2）：1－7.

[7]盧賢存，林朝陽，郭茶發(fā).京津城際鐵路基樁聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用[J].國防交通工程與技術(shù)，2008，（5）：67－69.

[8]J.C.Adams，E.L.Hajduk，P.Halvarsson，et al.A case history evaluation of CSL access tube debonding[J].ASCE Geotechnical Special Publication，2009，（185）：552－559.