聲波透射法在樁基檢測中的原理及其應用

冷 峰 （安徽省海通建設集團有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

目前對混凝土灌注樁檢測主要涉及兩個方面：①樁基的承載力是否達到設計要求；②樁基的完整性和強度[1]。靜載試驗法作為樁基承載力檢測中最直接和可靠的檢測方法，由于其檢測周期長、費用大，故不便大面積測試。因此，對混凝土灌注樁來說，完整性檢測顯得尤為重要。聲波透射法作為鉆孔灌注樁非破損檢測方法的一種，因其機理明確、設備簡單、使用方便、檢測準確，故被廣泛應用于樁基檢測中。

1 聲波透射法的基本原理

聲波透射法的工作原理是在被測樁內預埋若干根豎向相互平行的聲測管作為檢測通道，將超聲發(fā)射換能器與接收換能器置于聲測管中，管中注滿清水作為耦合劑。在測試時，兩探頭置于同一水平面或保持一定高差，沿聲測管同時提升，儀器通過發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖，穿過被測樁體混凝土，并經接收換能器接收，聲波信號按測點間距10cm或20cm自動記錄，由儀器顯示。由于超聲脈沖信號穿過混凝土樁體存在缺陷部位時會發(fā)生繞射、折射、多次反射及不同的吸收衰減，使接收信號首波的聲時、幅值等聲學參數(shù)發(fā)生變化，通過判讀以上參數(shù)，即可判斷樁身混凝土是否存在缺陷。

聲波是彈性波的一種，在混凝土介質中服從彈性波傳播規(guī)律[2]。運用彈性波理論，可推導得到縱波(P)和橫波(S)在介質中的傳播速度分別為。

式中：E為楊氏模量；μ為泊松比；ρ為介質密度。

由波速的表達式可知：彈性介質的性質及種類不同，彈性常數(shù)及密度也就不同，因此彈性波在介質中傳播的速度也不同。人工發(fā)出彈性波，并設法用儀器接收并分析測定其波速，可以用來判定巖體的特征和內部狀態(tài)以及混凝土的完整性，這就是工程中經常使用的“彈性波探測法”的理論依據(jù)。在樁基的檢測中，聲波在混凝土傳播的速度[3]一般為3200m／s～4000m／s，當遇到混凝土有裂隙、夾泥和密度差等原閡時，聲波將發(fā)生衰減，部分聲波繞過缺陷前進，傳播時間延長，波速減小，產生漫射現(xiàn)象。而遇到空洞的空氣界面要產生發(fā)射和散射，使聲波的振幅減小。缺陷的存在使聲波的路徑復雜化，引起波形的畸變。所以聲波在缺陷混凝土中傳播時，振幅減小、波速降低、波形畸變。這就是超聲波檢測的基本原理。

2 樁身完整性的判定

目前對樁身完整性的判定一般根據(jù)聲速判據(jù)、聲幅判據(jù)以及PSD判據(jù)，分析各聲學參數(shù)的臨界值、綜合各判據(jù)判得的結果以及實際的波形圖，按照樁基檢測技術規(guī)程對樁身的完整性進行評價，具體按照表1進行綜合判定。聲速反映了混凝土的彈性性能，波幅的衰減則反映混凝土界面情況，綜合各參數(shù)及各深度的波形特征對樁的完整性和質量進行判定見表2。完好的樁，聲速曲線基本是一條直線，無明顯折點，波幅也無明顯衰減，波形為正常波形。蜂窩、局部的夾泥沙團，聲速基本有一定的減小，相對差一般為10%～20%，波幅有一定的衰減，PSD值出現(xiàn)尖角，波形出現(xiàn)畸變。局部的夾層和斷樁聲時，聲速曲線呈現(xiàn)出明顯的波峰，最大誤差可達30%以上，而且波幅衰減強烈，PSD值出現(xiàn)明顯尖角[5]。

樁身完整性判定表 表1

3 工程實例分析

某高速公路是國家公路網(wǎng)的重要組成部分，該公路某標段樁基10#-1樁，樁徑1.5m，樁長35m,使用半自動測樁聲波儀，采用一發(fā)雙收平測，測點間距0.2m。聲測管布置如圖1所示，Ⅰ剖面為1-2測面，Ⅱ剖面為2-3測面，Ⅲ剖面為1-3測面。經檢測，繪制的聲速、聲幅、PSD-深度曲線如圖2所示，Ⅰ剖面在28m～30m處聲速、聲幅、PSD值都發(fā)生明顯突變，性狀異常；Ⅱ剖面則表現(xiàn)完好；Ⅲ剖面在28m～30m由于測不到信號，聲速、聲幅、PSD值為0。進行復測后，情況沒有發(fā)生變化。懷疑1-2測面和1-3測面在28m～30m處混凝土嚴重離析。經在“A”處鉆孔抽芯（如圖2）取證，其結果與聲波透射法測得結果一致，如圖3所示。

樁身混凝土質量判斷依據(jù)表 表2

4 結 語

聲波透射法對樁體是進行逐段檢測的，在樁身完整性檢測中是比較準確可靠的。在檢測時，對有缺陷的樁應當慎重對待，必要時可結合反射波法和鉆孔取芯進行綜合評價。

圖1 聲測管布置示意圖

圖2 10#-1樁聲測透射實測波形

圖3 鉆孔抽芯取證

宇峰,朱曉文.橋梁工程試驗檢測技術手冊[M].北京：人民交通出版社，2009

[2]劉德貴,姚勇,王寧.超聲波透射法在樁基檢測中的應用[J].路基工程,2009(2).

[3]劉興錄.樁基工程與動測技術200問[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[4]陽亮,李均，等.聲波透射法在樁基質量檢測中的應用[J].低溫建筑技術,2009(1).

[5]樁基工程手冊編委會.樁基工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.