超聲波透射法在橋梁樁基完整性檢測中的應(yīng)用

潘慧明

（廣州市交正交通建設(shè)工程檢測有限公司，廣東 廣州510000）

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁工程的建設(shè)也越來越多，而橋梁樁基的質(zhì)量直接影響到橋梁工程的整體質(zhì)量及安全，對橋梁樁基的完整性進行檢測十分重要。在眾多檢測方法中，超聲波透射法以其操作方便、簡單快捷、無損傷、靈敏度高及成本低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。因此，研究超聲波透射法檢測橋梁樁基完整性的試驗十分重要。

1 超聲波透射法基本原理

1.1 基本原理

聲波屬于彈性波，若把混凝土的介質(zhì)看成是彈性體，那么聲波的傳播規(guī)律就屬于彈性波傳播。聲波經(jīng)發(fā)射探頭發(fā)射出去，需經(jīng)過水的耦合才能傳遞到測管，之后聲波經(jīng)樁身混凝土介質(zhì)到達接收一端的測管，要想使聲波順利到達接收探頭，同樣要經(jīng)過水的耦合。若混凝土內(nèi)部出現(xiàn)不連續(xù)界面或是界面出現(xiàn)破損，有缺陷的部分就會對聲波造成阻礙。因此，聲波透射能量會受到聲波反射或是透射的影響而減少。如果內(nèi)部存在多種孔洞，聲波則會發(fā)生散射或繞射，而所求范圍內(nèi)的混凝土聲學參數(shù)，則可以通過聲波的初始時間和到達時間、聲波的能量衰減、聲波的頻率或者是通過聲波的波形畸變程度來計算。同時，需對所求范圍內(nèi)混凝土的不同剖面以及超聲波在不同高度上的不同特征進行測試并記錄。通過對測試記錄的處理和相關(guān)分析，可以獲得相應(yīng)的混凝土強度，而關(guān)于缺陷的性質(zhì)及空間位置等也可以求得。

1.2 質(zhì)量和聲參量

通過聲參量與混凝土相關(guān)的物理力學指標可以用于基樁部分的超聲波檢測。其中聲參量由超聲波投射法參量決定。關(guān)于混凝土材料的相關(guān)結(jié)構(gòu)、混凝土材料的密度以及混凝土材料的應(yīng)力、混凝土材料的應(yīng)變關(guān)系等都可以從聲波的傳播特性中反映出來。在混凝土中超聲波的傳播方式主要為縱波傳播，其波速運算方法為

式中:E，ρ，μ分別為介質(zhì)的動彈模、混凝土密度以及泊松比。

聲波在傳播時，會出現(xiàn)不同形式的衰減，致使聲波強度降低，如吸收、散射、擴散等。下式為聲波吸收的運算方法

式中:ρ，A，ω，CV，CP，υ，α，I0，η1分別為混凝土的密度、波幅、頻率、定容比熱容、定壓比熱容、波速、吸收系數(shù)、聲波的初始強度和粘滯系數(shù)。

由式（1）、式（2）可知，樁身質(zhì)量的好壞關(guān)系到聲參量的大小。如果介質(zhì)有缺陷，聲波的聲速、聲幅等也會由于聲波在傳波過程中的變化而變化。所以，基樁是否完整，也可以通過聲參量的大小來判斷。

2 判斷基樁是否完整

可以選擇運用透射法進行操作，通過信號在傳遞與接收過程中波形的變化等進行基柱完整性鑒別。

對基樁進行現(xiàn)場檢測時，需采用多種觀測方法，表1為應(yīng)設(shè)的聲測管數(shù)量。

表1 應(yīng)設(shè)聲測管的數(shù)量

沿樁截面外側(cè)布置聲測管。其中聲測管擺放須對稱。如圖1所示，箭頭順時針方向即為聲測管布置時的編號方向。

圖1 聲測管布置效果

聲波儀由計算機、聲波發(fā)射換能器、采集儀等構(gòu)成。圖2即為聲波儀的工作原理。

圖2 聲波儀工作原理

3 檢測數(shù)據(jù)的處理

3.1 分析參量

相關(guān)運算公式為

式中:Vm為聲速平均值，σv為聲速的標準差，Cv為聲速的變異系數(shù)，Am為波幅測量值的平均值。

1）聲速的判斷依據(jù)。判斷混凝土有無缺陷須用臨界值進行判斷。通常為:正常聲速平均值－聲速標準差×2。公式為

2）超聲波波幅的判斷依據(jù)。波幅的平均值為6dB，當臨界值高于實測值時，即表示測試區(qū)域為可疑缺陷區(qū)，公式為

3）PSD的判斷依據(jù)。輔助異常判據(jù)應(yīng)采用斜率法，PSD值變化明顯時，該測點即為可疑缺陷區(qū)，公式為

式中:t為測點聲時值，z為測點深度。

3.2 判定樁身是否完整的依據(jù)

判定樁身是否完整的標準如表2所示。

表2 樁身完整性判定標準

4 聲學參數(shù)

4.1 關(guān)系分析

布置聲測管時，在平時的工程操作中間距不等相對普遍。而就本工程而言，由于所用樁徑不同，聲測管的間距也相對更大。因此，要考慮到修正聲測管的間距問題。聲波在相同介質(zhì)中的傳播速度是一樣的，但由于聲測管的間距增大，導(dǎo)致聲波的傳播速度變小。在進行了與之相關(guān)的合作研究后，得出超聲脈沖波主頻率下降致使波速減緩的結(jié)論。根據(jù)實驗制作波速修正表以方便不同的測試距離進行修正。同時以15cm的測試距離為標準，一旦測試距離超過15cm，所測得波速就應(yīng)與表中的修正系數(shù)相乘（修正系數(shù)見表3）。

建造大橋工程所用的混凝土樁均采用C25制作，進行檢測時需在天氣晴朗的室外將土樁與清水耦合，用ZBL－U520A檢測設(shè)備進行檢測。之后，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與研究。

表3 波速修正系數(shù)

如果測試距離在430～1 380mm，就可以采用實際測量值。如果樁身混凝土齡期已經(jīng)達到28d，在工作狀態(tài)相同的情況下，需要在同一剖面上選擇多個測點進行測試。研究不同管距對波速的影響時，應(yīng)取離散性相對較小的數(shù)據(jù)平均值。計算不同管距的波速比值時，基準值應(yīng)取實際測量中管距最小時的波速進行分析，以下為各種曲線的運算法則

平方拋物線曲線

冪函數(shù)曲線

指數(shù)函數(shù)曲線

回歸系數(shù)即是待定系數(shù)，如a，b，c等。但目前多數(shù)采用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進行計算，以方便計算。

圖3所示即為波速比值與對數(shù)曲線的形式，二者趨勢相符。即混凝土強度相對較大只是相對于聲速較小而言。因此，選用對數(shù)函數(shù)進行回歸分析

式中:x為測試距離，mm；y為波速之間的比值。

若想求得波速之間的比值，只需求出實測波速與基準波速的比值即可。

混凝土中相對較大的階梯試件，其強度和等級也各不相同，應(yīng)用下面公式進行計算

將方程的計算結(jié)果與上述試驗得出的結(jié)果進行對比分析。受試驗條件限制，將本工程試驗的基準波速選擇為430cm，測試距離為430～1 380mm，雖然試驗結(jié)果趨勢與南京水利科學研究院的結(jié)果頗為相似，但仍存在較大差別。這種差別的出現(xiàn)是因為二者不僅測試對象不同，而且選擇的基準波速也不相同。由于本試驗在測試距離上存在諸多限制性因素，因此，如圖4所示，兩條曲線會在未來的某一點實現(xiàn)相交。

圖3 修正系數(shù)分析

圖4 波速修正系數(shù)對比

本文中的試驗基本能夠如實地反映出具體工程的情況，由于試驗中的數(shù)據(jù)大多是實際工程中的測量結(jié)果。經(jīng)比較，通過擬合公式得出不同測距的不同修正值更符合實際情況。通過對比實驗結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，測試距離為430～1 380mm時，兩組相差不大。所以用波速修正系數(shù)值對波速進行適當修正，以減小誤差，使結(jié)果更為精確。

4.2 混凝土強度－波速關(guān)系

由于地區(qū)不同，所以制作混凝土的材料也存在較大差異，同時不同地區(qū)對于混凝土的養(yǎng)護方法也不盡相同，其含水率也存在明顯差異。再加上混凝土的用途不同，其配比材料等也大不相同，所以難以找到適合所有地區(qū)的強度－波速曲線。

根據(jù)實際需要，本工程大橋的鉆孔灌注樁為344根，包括96根直徑為28～25m的主橋樁。橋樁總長度為7 274.5m，平均長度為75.8m。而引橋由248根鉆孔樁組成，每根鉆孔樁長約68.2～81.5m，總長度12 722m，平均長度51.5m。若想找到符合該工程中相應(yīng)的混凝土強度－波速關(guān)系曲線，必須要經(jīng)過實際操作，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。所以，可考慮選擇多組不同強度、不同等級的混凝土制成試塊，通過28d的標準養(yǎng)護后再進行分組測試。分別采用冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)研究強度－波速關(guān)系，如圖5、圖6所示。

圖5 冪函數(shù)回歸分析曲線

圖6 指數(shù)函數(shù)回歸分析曲線

以冪函數(shù)形式對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析

在指數(shù)函數(shù)形式下的相關(guān)分析可得:Y取0.604 3e0.0009x。

進行兩條曲線的擬合來計算混凝土的強度，誤差不可避免。所以依照規(guī)范，相對標準誤差應(yīng)不大于12%。而在用冪函數(shù)進行回歸分析時，標準誤差應(yīng)取8.021%，在用指數(shù)函數(shù)進行回歸分析時，標準誤差應(yīng)取8.785%，

5 實例分析

5.1 相關(guān)資料

廣州廣從高速公路工程，由從化街口至花都北興高速公路，該路段與廣州國際機場高速公路的北延線相接，并在北興與京珠高速公路和北三環(huán)建立互通立交工程。一期工程主橋44#的海積層成分主要為砂淤泥、細砂、粘土等，陸地以下50～52m處一般為海積層底標高。而基巖風化層厚度在9～17m。由于巖面的起伏相對較大，所以基巖面標高也相對較低，主要在地下59～70m，基巖面的性質(zhì)為凝灰熔巖，風化巖核占較小比例。而45#橋墩處的海積層主要為砂淤泥、細砂、淤泥質(zhì)粘土，在主陸地以下42～49m處一般為海積層底標高。而基巖風化層厚度在25m左右，相對較厚?；鶐r面標高一般在地下67～71m左右，基巖面的性質(zhì)與44#的相同，部分含有接近10m的風化巖核。49#墩上部主要為含砂淤泥、淤泥質(zhì)粘土、含淤泥砂成分為主的海積層，陸地以下59～60m處一般為海積層底標高，其基巖風化層厚度在10m左右，基巖面標高一般在地下59～60m左右，基巖面的性質(zhì)與上述兩者相同。

5.2 實例分析

5.2.1 完整樁

工地45號墩中的13號樁以C20澆筑而成，樁徑為2.5m，樁的有效長度為69.8m。4根檢測管以四邊形的形狀進行布置。運用非金屬超聲檢測儀ZBL－U520逐一從樁底至樁頂進行檢測。其中測試方法需運用一發(fā)雙收平測，每個測點間距離應(yīng)保持在25cm。分別繪制聲時－深度曲線與聲幅－深度曲線。經(jīng)觀察可知，無論是聲時曲線、聲幅曲線還是聲速曲線的波動都非常小，而且聲幅相對均勻。而聲速平均值為4 378m／s，由此判定該柱身的完整性為Ⅰ類。

5.2.2 夾層樁

49號墩19號樁的樁徑是2.6m，樁長是75m。經(jīng)檢測3個剖面的聲參量在距離柱頂57～57.5m處存在異常。而剩余的1個剖面則是在兩個側(cè)面57.25～57.5m處聲時變大，聲速減小，聲幅也出現(xiàn)較大幅度的衰減。通過對聲時－深度曲線與聲幅－深度曲線的研究表明，當兩個側(cè)面57.25～57.5m處聲時達到304m／s時，可超出臨界值69.8%。同時，聲速和波幅都相對偏低。經(jīng)檢測，樁內(nèi)尚有泥砂、泥團等物質(zhì)，完整性較45號墩要差。

5.2.3 低強度樁

對11號樁進行檢測，11號樁屬于45號墩，其樁徑經(jīng)測量為2.7m，樁長為74m。經(jīng)檢測，該樁檢測的幾個剖面中聲參量均在距離柱頂72.5～74 m處存在異常，并且此范圍內(nèi)的聲時也出現(xiàn)陡增的情況。聲時最大可達838m／s，超出臨界值的79.9%。而聲速值卻格外偏低，比臨界值低60.3%，僅為1 729m／s。與此同時，PSD值也相對增加，波形存在畸變現(xiàn)象。經(jīng)檢測，其他剖面相對正常。

5.2.4 斷樁

44號墩6號樁，樁徑為2.6m，樁長為72.2m。而6號樁樁身預(yù)埋了4根挖孔樁。根據(jù)超聲波聲時－深度曲線和聲幅－深度曲線可知，其4個剖面的聲參量在距離樁頂6.50～6.75m處存在異常，且聲速尤為偏低，僅為150m／s，而聲速的平均值也只有3 382m／s，比混凝土的聲速范圍還低。4個剖面的波幅又在此處下降明顯，甚至個別點的聲波信號無法正常接收，并且波形產(chǎn)生嚴重畸變。因此，可證實在6.5～6.75m處存在缺陷，該樁為斷樁，且完整性為Ⅳ類。

6 結(jié)束語

綜上所述，橋梁樁基的施工難度相對較大，且工藝比較復(fù)雜，因此很容易在施工過程中出現(xiàn)多種問題，使橋梁的整體質(zhì)量以及橋梁的安全性得不到保障。測試結(jié)果表明超聲波透射法在判斷樁基的缺陷深度、缺陷大小以及缺陷的嚴重程度等方面具有有較高的靈敏度，同時抗干擾能力也很強，而且使用起來比較方便，檢測的結(jié)果十分精確也相當可靠，因此值得在橋梁樁基檢測中廣泛推廣。

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