聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁完整性分析

聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁完整性分析

唐國(guó)英，何德華，吳汝利
（廣東省地震局，廣州，510070）

以廣東某高速公路的混凝土東灌注樁的工程檢測(cè)實(shí)踐，分析聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁缺陷的聲學(xué)參數(shù)特性，總結(jié)出常見的缺陷類型特征，提出對(duì)聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁完整性的一些見解。

聲波透射法；聲學(xué)參數(shù)；混凝土灌注樁；缺陷

唐國(guó)英，何德華，吳汝利.聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁完整性分析[J].華南地震，2015，35（2）：80-88.TANG Guoying，HE Dehua，WU Ruli. Application of Sound Wave Transmission Method to Integrality Measurement of Concrete Grouting Pile[J].South china journal of seismology，2015，35（2）：80-88.]

0　引言

基礎(chǔ)工程是建筑工程的重要組成部分，它的質(zhì)量好壞直接影響整個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)安全。樁基礎(chǔ)又是主要的基礎(chǔ)形式之一。重大工程、路橋工程的樁基礎(chǔ)，由于要考慮建筑物本身的安全及用途等方面因素，主要采用混凝土灌注樁。灌注樁的成樁過程是一種隱蔽施工過程，其在施工過程中往往會(huì)出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，如存在離析、蜂窩、松散、夾泥、縮徑、斷裂、空洞、沉渣等缺陷問題。因此，灌注樁成樁后必須對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，確保工程質(zhì)量安全。當(dāng)前，無損檢測(cè)樁身質(zhì)量完整性的幾種方法中，聲波透射法是最好的檢測(cè)手段。其測(cè)試效率高，測(cè)試的深度范圍不受限制，不會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象，技術(shù)理論可靠，測(cè)試結(jié)果可信度也較高。

但是，由于混凝土是一種多材料的集結(jié)體，聲波在其中的傳播路徑是一個(gè)很復(fù)雜的物理過程；另一方面，混凝土灌注樁的成樁條件、環(huán)境及影響其質(zhì)量的其他各種因素復(fù)雜且難以預(yù)見，因此樁身混凝土質(zhì)量的離散性及不確定性都很高；此外，在檢測(cè)過程中，有些檢測(cè)點(diǎn)的聲耦合條件、兩聲測(cè)管不平行等影響因素的存在，都有可能導(dǎo)致灌注樁的聲測(cè)誤差增大。因此，聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁過程中，如何利用所檢測(cè)的透過混凝土傳播的聲學(xué)參數(shù)，去發(fā)現(xiàn)樁身混凝土存在缺陷問題，評(píng)價(jià)樁身混凝土質(zhì)量情況，從而判定樁身完整性類別，這是該方法檢測(cè)的最終目的，也是我們要面對(duì)的一個(gè)檢測(cè)難題。

1　聲學(xué)參數(shù)與混凝土完整性質(zhì)量的關(guān)系

在混凝土灌注樁完整性質(zhì)量檢測(cè)過程中，我們常用的聲學(xué)參數(shù)有：聲速、波幅、頻率和波形。聲速是檢測(cè)混凝土的一個(gè)主要參數(shù)，它與混凝土的強(qiáng)度存在相關(guān)性?；炷谅曀俑叩突旧峡梢苑从称鋸?qiáng)度的大小。儀器檢測(cè)到的聲速值比較穩(wěn)定，受非缺陷方面因素的影響較小，結(jié)果的重復(fù)性也較好，是判定混凝土完整性質(zhì)量的主要參數(shù)。接收聲波首波波幅也是另一主要參數(shù)，它表征聲波透過混凝土后能量衰減的程度。正常情況下，接收波波幅強(qiáng)與弱，正是反應(yīng)混凝土的粘塑性，它的衰減與混凝土質(zhì)量關(guān)系密切，它比聲時(shí)更加敏感地反應(yīng)缺陷。但是波幅檢測(cè)值穩(wěn)定性較聲速差，它的可比面較窄，只能用來做相對(duì)比較。

聲波的脈沖含有各式各樣頻率成分，當(dāng)它穿過混凝土后，不同頻率的衰減程度不同。高頻衰減快，低頻衰減慢。因此，接收主頻率是反應(yīng)衰減過程的一個(gè)量值。它的可比性也受到限制，只能用來作聲速、波幅的輔助判據(jù)。

波形也是判斷混凝土缺陷的一參考條件。聲波在混凝土缺陷處發(fā)生折射和反射，形成各式各樣的散射波束，波形會(huì)發(fā)生不同程度畸變。正?；炷恋慕邮詹úㄐ翁卣魇牵菏撞ㄝ^陡峭、振幅較大、包絡(luò)線呈半圓形、第一個(gè)周期的波形無畸變等。有缺陷混凝土的接收波波形特征是：首波較平緩、振幅較小、包絡(luò)線呈喇叭形、波形有畸變等。當(dāng)缺陷嚴(yán)重、范圍較大時(shí)，聲波無法接收，接收波呈直線狀。

我們?cè)跀?shù)據(jù)分析時(shí)，除了采用聲速、波幅、主頻、波形判據(jù)外，同時(shí)還引入了PSD判據(jù)。

PSD判據(jù)實(shí)際上反映了測(cè)點(diǎn)間距、聲波穿透距離、混凝土質(zhì)量等因素之間的綜合關(guān)系，這一關(guān)系隨缺陷的性質(zhì)和范圍的不同而變化。當(dāng)聲時(shí)有變化時(shí)，PSD值反應(yīng)強(qiáng)烈，對(duì)缺陷反應(yīng)非常敏感。另一方面，PSD值還可以用來判斷兩聲測(cè)管之間是否平行，修正非缺陷因素帶來的影響。

2　工程檢測(cè)實(shí)例

以下是聲波透射法檢測(cè)廣東某高速公路的混凝土灌注樁的工程實(shí)例，該工程樁徑范圍為Ф1 000～2 500 mm（樁徑Ф1 000～1 800 mm預(yù)埋三根聲測(cè)管；樁徑Ф1 800mm以上預(yù)埋四根聲測(cè)管），混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，檢測(cè)樁長(zhǎng)范圍為13.2～44.9m。實(shí)際檢測(cè)過程中遇到有明顯缺陷或嚴(yán)重缺陷的問題樁，經(jīng)開挖或抽芯已得到驗(yàn)證。下面分別作分析介紹。

34-1#樁的樁徑為Ф1 500 mm，樁長(zhǎng)為34.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖1、2分別為樁的AB、AC、BC剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。從圖中可以看出，各檢測(cè)剖面的聲速、波幅均無異常，無聲速低于低限值，故判為完整樁，該樁屬Ⅰ類樁。

對(duì)于地面直達(dá)波所探測(cè)的土壤層深度，目前還沒有統(tǒng)一定論，一般認(rèn)為在不同土壤類型和土壤含水量條件下，其有效測(cè)深在10～25 cm范圍內(nèi)變化。

圖1　 34-1#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.1 Acoustic parameters of 34-1#pile

1-1-2#樁的樁徑為Ф1 500 mm，樁長(zhǎng)為28.7 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖3、4分別為樁的AB、AC、BC剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。從圖中可以看出，在AC、BC剖面1.8～2.1m，AB、BC剖面27.6～27.8m均存在聲學(xué)參數(shù)異常，即聲速、波幅出現(xiàn)輕微異常，該樁有輕微缺陷，故判為Ⅱ類樁。

圖2　 34-1#樁波列圖Fig.2 Wave train graph of 34-1#pile

圖3　 1-1-2#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.3 Acoustic parameters of 1-1-2#pile

圖4　 1-1-2#樁波列圖Fig.4 Wave train graph of 1-1-2#pile

Z10-2#樁的樁徑為Ф1 300mm，樁長(zhǎng)為31.2m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖5、6分別為樁的AC剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。在AC剖面5.6～6.1m，首波清晰、波形正常，波速輕微異常、波幅較正常混凝土稍小，此處判為輕微缺陷。在10.3～11.5m，穿過芯樣斷開位置的聲速、波幅曲線嚴(yán)重畸變，首波不清，其余首波可讀，波形無明顯畸變，此處判為明顯缺陷。綜合檢測(cè)結(jié)果，該樁判為Ⅲ類樁。

經(jīng)抽芯檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在5.8～6.0m為砂漿，芯樣連續(xù)完整，膠結(jié)較好，混凝土強(qiáng)度高、不透水。在10.5～11.0 m為砂漿，芯樣斷開部位指甲可劃痕、透水，其余部位混凝土強(qiáng)度較高、不透水。

23-9#樁的樁徑為Ф2 500mm，樁長(zhǎng)為29.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖7、8分別為樁的AD剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。AD剖面的上半部聲速、波幅聲學(xué)參數(shù)異常明顯，波形嚴(yán)重畸變，呈波紋狀；下半部首波基本清晰、無明顯畸變，但波幅較小。該樁存在明顯缺陷，故判為Ⅲ類樁。在AD剖面靠D管位置抽芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在7.35～7.75 m為砂漿夾泥。上半部芯樣夾泥且不完整，透水；下半部混凝土連續(xù)完整，膠結(jié)較好，強(qiáng)度較高。

圖5　 Z10-2#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.5 Acoustic parameters of Z10-2#pile

圖6　 Z10-2#樁波列圖Fig.6 Wave train graph of of Z10-2#pile

圖7　 23-9#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.7 Acoustic parameters of 23-9#pile

圖8　 23-9#樁波列圖Fig.8 Wave train graph of 23-9#pile

Z29-2#樁的樁徑為Ф2 000 mm，樁長(zhǎng)為31.1 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖9、10分別為樁的AD剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。在AD剖面9.9～10.8m，聲速異常明顯至嚴(yán)重，上部首波可讀，波形畸變；下部波形嚴(yán)重畸變，呈波紋狀。該樁判為Ⅳ類樁。

圖9　 Z29-2#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.9 Acoustic parameters of X20-5#pile

圖10　 Z29-2#樁波列圖Fig.10 Wave train graph of Z29-2#pile

在AD面靠D管位置抽芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在10.0～10.6 m為砂漿，局部夾泥。上部芯樣較完整，表面見星點(diǎn)狀泥痕，指甲可劃出微痕；中部指甲劃痕清晰，夾泥較上部多，透水；下部夾泥增多，芯樣不成形。

X20-5#樁的樁徑為Ф1 800 mm，樁長(zhǎng)為44.9 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖11、12分別為樁的BC剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。在BC剖面0.8～1.4 m，聲速、波幅曲線呈直線狀，波幅非常小。經(jīng)開挖驗(yàn)證，BC面0.9～1.3 m夾淤泥團(tuán)。該樁判為Ⅳ類樁。

圖11　 X20-5#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.11 Acoustic parameters of X20-5#pile

圖12　 X20-5#樁波列圖Fig.12 Wave train graph of X20-5#pile

圖13　 53#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.13 Acoustic parameters of 53#pile

圖14　 53#樁波列圖Fig.14 Wave train graph of 53#pile

在AC剖面離樁中心30 cm位置抽芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在3.5～5.13 m含夾砂層，屬嚴(yán)重?cái)鄻丁?/p>

B6-2#樁的樁徑為Ф1 000mm，樁長(zhǎng)為14.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖15、16分別為樁的AB、AC、BC剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。分別在AB、AC、BC剖面的8.8～14.2 m、8.8～14.1 m、8.7～14.5m接收波信號(hào)極弱，聲速、波幅曲線呈單一波紋狀。該樁判為Ⅳ類樁。

在AB剖面連線中間離樁中心20 cm位置抽芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在8.8 m開始芯樣還成形，但膠結(jié)極差，粗、細(xì)骨料界線分明，往下逐漸變成散體。

7-2#樁的樁徑為Ф2 200mm，樁長(zhǎng)為32.4m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖17、18分別為樁的AB、AC、AD剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖；圖19、20分別為樁的BC、BD、CD剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖，六各剖面底部聲速、波幅均有嚴(yán)重異常，且整齊劃一。該樁判為Ⅳ類樁。

圖15　 B6-2#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.15 Acoustic parameters of B6-2#pile

圖16　 B6-2#樁波列圖Fig.16 Wave train graph of B6-2#pile

圖17　 7-2#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.17 Acoustic parameters of 7-2#pile

圖18　 7-2#樁波列圖Fig.18 Wave train graph of 7-2#pile

圖19　 7-2#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.19 Acoustic parameters of 7-2#pile

圖20　 7-2#樁波列圖Fig.20 Wave train graph of 7-2#pile

抽芯檢測(cè)時(shí)共鉆三個(gè)孔，分別在A、B、C管與樁中心連線上離管25 cm處開鉆。A號(hào)孔芯樣連續(xù)完整、長(zhǎng)32.39 m、無沉渣；B號(hào)孔芯樣連續(xù)完整、長(zhǎng)32.20 m、樁底見20 cm黃色泥漿；C號(hào)孔芯樣連續(xù)完整、長(zhǎng)32.30m、樁底見10 cm泥漿。

A-3-1#樁的樁徑為Ф1 300mm，樁長(zhǎng)為34.0m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。圖21、22分別為樁的AB、AC、BC剖面聲學(xué)參數(shù)圖及波列圖。分別在AB、AC、BC剖面的33.8～34.0 m、33.3～34.0 m、33.4～34.0 m聲速均有明顯異常，且從上而下聲速呈線性下降，但首波清晰、波形無畸變；33.8～34.0 m聲速嚴(yán)重異常，波形畸變，首波可讀。該樁判為Ⅳ類樁。

圖21　 A-3-1#樁聲學(xué)參數(shù)圖Fig.21 Acoustic parameters of A-3-1#pile

在AC管連線上離C管30 cm位置抽芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)從32.7 m開始芯樣一側(cè)見黃色泥漿，往下逐漸變成半邊為混凝土、半變?yōu)辄S色泥漿，33.7～34.0m全為泥漿。

3　常見缺陷類型總結(jié)

混凝土灌注樁不同類型的缺陷，會(huì)引起聲學(xué)參數(shù)的不同變化特征，可以總結(jié)出以下某些規(guī)律。

圖22　 A-3-1#樁波列圖Fig.22 Wave train graph of A-3-1#pile

沉渣。遇到夾泥、夾砂以及物質(zhì)成分復(fù)雜的沉渣，聲速和波幅曲線幾乎呈直線狀。沉渣是一種松散的、低強(qiáng)度的介質(zhì)，其本身的聲速很低，對(duì)聲速、波幅的衰減也相當(dāng)強(qiáng)烈。所以，當(dāng)遇到樁底沉渣時(shí)，聲速、波幅下降非常劇烈。若在樁底出現(xiàn)，基本上都屬于沉渣引起的。

膠結(jié)極差。聲速、波幅均很小，聲速、波幅曲線呈單一或連續(xù)波紋狀或鋸齒狀。

空洞。若某一聲測(cè)管在某處被空洞包裹，則在該處的接收波信號(hào)極弱，一般呈直線狀；若某剖面上存在空洞，則該處波幅衰減較大，空洞體積越大則波幅衰減越嚴(yán)重。

泥砂與水泥漿的混合物。若出現(xiàn)在樁頂位置，則屬于樁頂標(biāo)高不滿足設(shè)計(jì)要求；若出現(xiàn)在樁身位置，則屬于斷樁。其最大特點(diǎn)是聲速、波幅均下降明顯。出現(xiàn)在樁頂位置時(shí)往往是緩變，出現(xiàn)在樁身位置時(shí)是突變。

蜂窩、夾泥。聲速與波幅均下降。若存在局部蜂窩、夾泥等缺陷，缺陷體積較小，且未包裹在檢測(cè)的聲測(cè)管，則下降的程度不會(huì)很明顯；若蜂窩、夾泥等缺陷包裹在檢測(cè)的聲測(cè)管，則聲速、波幅下降程度較明顯，特別是波幅的下降尤其強(qiáng)烈。通過斜測(cè)、扇測(cè)可以分辨與解決這些缺陷的位置及體積大小情況。

離析。粗骨料多而砂漿少地方，聲速值高、波幅下降；粗骨料少而砂漿多地方正好相反。若抽芯芯樣中砂漿表面光滑、連續(xù)完整、指甲刻不動(dòng)、不透水，這種情況下聲速只有輕微異常、波幅稍小、波形無畸變；若抽芯芯樣不連續(xù)、有斷口、指甲可劃痕、透水，聲速異常明顯、波形有畸變現(xiàn)象。采用波速和振幅兩個(gè)參數(shù)綜合分析判斷更理想。

4　結(jié)論

造成聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁缺陷的漏判、誤判等誤差問題，原因有多種多樣，也很復(fù)雜，不能一概而論。就目前現(xiàn)有科技，人為因素也是很關(guān)鍵。因此，要準(zhǔn)確判斷錯(cuò)綜復(fù)雜的混凝土灌注樁缺陷類型，首先要求我們的檢測(cè)技術(shù)人員要有過硬的理論基礎(chǔ)，還要有豐富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。在檢測(cè)數(shù)據(jù)分析過程中，應(yīng)該采用以聲速、波幅為主，以PSD值、頻率、波形等為輔的綜合判定方法，結(jié)合實(shí)際施工記錄，綜合研究分析，只有這樣才有可能準(zhǔn)確判斷混凝土灌注樁的完整性情況，從而為委托單位提交可靠的檢測(cè)報(bào)告。

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Application of Sound W ave Transm ission M ethod to Integrality M easurement of Concrete Grouting Pile

TANG Guoying，HE Dehua，WU Ruli
（Earthquake Administration ofGuangdong Province，Guangzhou 510070，China）

Based on some engineering testing examples，the paper analyzes the acoustic parameters features during the concrete perfusion pile detection by using the sound wave transmission method，and sums up the common type of defect features.The author puts forward some opinions for sound wave transmission method testing of concrete perfusion pile integrity.

Cross-hole sonic logging；Acoustic parameters；Concrete grouting pile；Defects

TU753.3

A

1001-8662（2015）02-0080-09

10.13512/j.hndz.2015.02.013

2014-05-26

唐國(guó)英（1967－），男，工程師，主要從事樁基檢測(cè)和地震工程.

E-mail：tongkuoying@163.com.