聲波透射法在基樁完整性檢測中的應用

王　駿，　李　凡，　童　進，　趙云龍

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009 )

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聲波透射法在基樁完整性檢測中的應用

王駿，李凡，童進，趙云龍

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009 )

摘要：在介紹聲波透射法檢測樁基完整性原理的基礎上，結(jié)合某工程的鉆孔灌注樁檢測工作的實例，來淺析聲波透射法在基樁完整性檢測的應用。

關鍵詞：波速；波幅；聲測管；波形圖

由于樁基工程屬于地下隱蔽工程,樁周土體以及樁土間的結(jié)合狀態(tài)難以確切控制,導致樁身質(zhì)量問題普遍存在,因此,檢測工作十分必要。

樁基檢測包括樁基承載力和樁身完整性檢測。樁基承載力的大小直接決定樁基能否承受并傳遞上部荷載。完整性檢測是為了發(fā)現(xiàn)某些可能影響樁基承載力的缺陷,確保樁基的耐久性,為減少安全隱患、可靠判定樁基承載力服務。因此,樁身完整性檢測十分必要。目前,我國樁身完整性檢測以無損檢測為主,其中聲波透射法檢測因具有范圍覆蓋廣,信息量豐富,結(jié)果準確可靠,以及現(xiàn)場操作簡單,不受樁長和樁身限制等特點,而得到廣泛使用。本文以鉆孔灌注樁樁基檢測為例,來淺析聲波透射法[1]。

1聲波透射法的原理及其檢測方法

聲波透射法的原理是由于彈性波在混凝土中的傳播過程與混凝土的質(zhì)量緊密相關,所以能通過應力波能量的衰減、波速和波形的變化來判斷應力波傳播路徑上的混凝土質(zhì)量;應力波在傳播路徑上遇到缺陷時,又會產(chǎn)生局部范圍內(nèi)的繞射、反射和折射,因而能發(fā)現(xiàn)和評定各種局部的內(nèi)部缺陷[2]。

如圖1,檢測方法是樁基成孔后,澆注混凝土之前,在樁身預埋若干根和樁身長度一樣的聲測管作為聲波發(fā)射和接收換能器的升降路徑。在樁身混凝土澆注至少14 d以后開始檢測,用聲波檢測儀沿樁的縱軸方向逐點檢測聲波穿過樁身各截面的聲學參數(shù)[3],繼而對檢測數(shù)據(jù)進行處理、分析和判斷,確定樁身混凝土缺陷范圍的位置和范圍,最終推斷出樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性,評定樁身完整性等級。

圖1　聲波透射法測試示意

2測試前的準備工作

2.1聲測管處理

澆注混凝土前,一定要仔細綁扎聲測管,保持聲測不發(fā)生變形和彎曲,澆注后,用橡皮塞堵住管口,以保證沒有雜物落入管內(nèi),維持管內(nèi)通暢。檢測前,將聲測管灌滿水(作為聲波傳播的介質(zhì))[4]。

2.2換能器以及聲波儀

將換能器緩慢平穩(wěn)地放入聲測管內(nèi),并通過定滑輪將若干個換能器控制在同一標高,其累計相對高差不應大于20 mm,并隨時校正。并通過數(shù)據(jù)線將聲波檢測計數(shù)據(jù)儀、換能器電纜線和聲波儀三者連接在一起。

3現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集注意事項

對于聲時值和波幅值出現(xiàn)異常的部位,應采用水平加密、等差同步或扇形掃測等方法進行細測,結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴重程度。

4室內(nèi)數(shù)據(jù)分析處理與判定

4.1聲波波速與混凝土質(zhì)量的關系

聲波聲速由一個換能器發(fā)出一個同步脈沖信號,穿過混凝土到另一個接收信號首波的起跳點的時間間隔(稱為透射時間)計算得到聲速。聲速在混凝土中的傳播波速反映混凝土的彈性性質(zhì),而混凝土的彈性性質(zhì)與混凝土的強度具有相關性,因此聲波聲速與混凝土強度之間具有相關性。

當兩根聲測管豎向基本平行時,混凝土內(nèi)部越致密,孔隙率越低,則波速越高,強度也越高。當其內(nèi)部出現(xiàn)缺陷(離析、疏松、夾泥等),聲波因穿過缺陷區(qū),產(chǎn)生各種折射、反射以及繞行,導致聲速下降。因此,聲速是判斷混凝土質(zhì)量的重要因素。

聲速判斷依據(jù):若實測混凝土聲速值低于聲速臨界值,其作為混凝土缺陷可疑區(qū)域[5]。即

(1)

其中,vp為聲速臨界值(km/s)。聲速臨界值采用正常聲速平均值與2倍聲速標準差的差,即

(2)

(3)

(4)

4.2聲波波幅與混凝土質(zhì)量的關系

當樁的內(nèi)部出現(xiàn)缺陷(離析、疏松、夾泥等),聲波因穿過缺陷區(qū),產(chǎn)生各種折射、反射以及繞行,不僅會導致波速下降,也會導致接收信號的波幅(波能量)下降。因此,聲波波幅也是判斷混凝土質(zhì)量的重要因素。

波幅判斷依據(jù):用波幅平均值減6dB作為波幅臨界值,若實測波幅低于波幅臨界值,其作為混凝土缺陷可疑區(qū)域[6]。即

(5)

(6)

其中,AP是波幅臨界值(dB);Am是波幅平均值(dB);Am是第i個測點相對波幅值(dB)。

4.3相鄰測點數(shù)據(jù)與混凝土質(zhì)量的關系

采用上下相鄰測點數(shù)據(jù)隨深度的變化速率和數(shù)據(jù)差值的乘積作為判據(jù),簡稱“PSD”判據(jù)。PSD數(shù)值主要取決于相鄰測點透射時間之差,因此對于各種逐漸變化的因素(如測管間距的緩慢變化,混凝土質(zhì)量的不夠均勻等)并不敏感,而對于各種引起透射時間發(fā)生突變的因素(如混凝土內(nèi)部的局部性缺陷)的反應卻十分強烈。因此,采用PSD判據(jù),能夠基本消除測管不平行或混凝土不均勻等因素的影響而突顯混凝土局限性缺陷的存在。

PSD判斷依據(jù):若PSD數(shù)值在某測點附近變化十分明顯時,其作為混凝土缺陷可疑區(qū)域[7]。

(7)

其中,ti是第i個測點聲時值(μs);ti-1是第i-1個測點聲時值(μs);zi是第i個測點深度(m);zi-1是第i-1個測點深度(m)。

4.4各參量組成的綜合判據(jù)

根據(jù)實踐經(jīng)驗,各種單一的判據(jù)對不同類型缺陷的反映是各不相同的。例如,對于離析來說,由于密度較大的粗骨料缺失,波速將有所降低,但對波的能量損失影響不大,因此波幅的反映一般并不明顯;對于疏松來說,則波幅比波速更加敏感。因此,遇到異常情況,一定要結(jié)合多項數(shù)據(jù)綜合判據(jù)[8]。

4.5工程實例數(shù)據(jù)分析

某工程樁基礎,樁長43.5 m,直徑1 200 mm,預埋3根聲測管,混凝土C25,使用武漢巖海RS-ST06D非金屬超聲檢測儀檢測,數(shù)據(jù)如圖2,發(fā)現(xiàn)在樁長41.5～42.75 m處數(shù)據(jù)(聲速、波幅、PSD)異常。

圖2　某樁基聲波透射法檢測數(shù)據(jù)

發(fā)現(xiàn)問題后,檢測同一批灌注的樁基,皆發(fā)現(xiàn)同樣的問題,后續(xù)按比例選擇5根樁基進行鉆芯取芯,如圖3,樁基在41.5～42.75 m皆沒有缺陷,完整性很好。

圖3　某樁基取芯混凝土樣

后來,通過檢查樁基澆筑的前后細節(jié),發(fā)現(xiàn)在綁扎樁基聲測管時,在樁基底部沒有將聲測管和鋼筋牢牢地綁在一起,在澆注混凝土時產(chǎn)生巨大沖擊力將聲測管沖離原來的位置,從而導致數(shù)據(jù)異常,并非混凝土質(zhì)量的問題[9]。找到問題后及時更正,在后續(xù)樁基的檢測數(shù)據(jù)都沒有出現(xiàn)樁底數(shù)據(jù)異常問題。

5聲波透射法的盲區(qū)

只能檢測到聲測管范圍內(nèi)的混凝土質(zhì)量,卻無法檢測其范圍外的。目前尚無法改進其檢測技術本身來突破這一瓶頸,而常用的辦法就是借助低應變來彌補[10]。

6結(jié)束語

聲波透射法檢測樁基完整性,具有較高的可靠性,遇到異常情況需要結(jié)合其他檢測方法進行分析。當然對其可靠性評價只有在其適用條件下和限定的定性分析范圍內(nèi)才有意義。

〔參考文獻〕

[1] 廣東省建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督檢測總站.工程樁質(zhì)量檢測技術培訓教材[M]．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

[2]李德慶，李澄宇，李澄海．樁基工程質(zhì)量的診斷技術——方法、原理及應用實例[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

[3]段文旭.低應變法和聲波透射法在樁基檢測中的綜合應用研究[D]. 成都:成都理工大學，2014.

[4]楊永亮.超聲波透射法在樁基完整性檢測中的應用[D]. 武漢:武漢理工大學，2012.

[5]鐘會生.基于聲波透射法的灌注樁檢測技術應用改進研究[D]. 西安:西安建筑科技大學，2011.

[6]馬溁.超聲波透射法在橋梁樁基完整性檢測中的應用[J].公路與汽運，2014，165(6)：173-174.

[7]劉增永，徐日慶. 超聲波透射法在樁基檢測中的應用[J].低溫建筑技術，2005，104(2)：69-71.

[8]JGJ 106-2003,建筑基樁檢測技術規(guī)范[S].

[9]程瑞新，李建中，黎超群. 聲測管不平行對聲波透射法基樁檢測結(jié)果的影響及其校正方法[J].巖土工程界，2008，11(10)：63-65.

[10]張磊.超聲波透射法與低應變反射波法在基樁檢測中的對比研究[D].西安：長安大學，2012.

收稿日期：2015-12-30；修改日期：2016-01-15

作者簡介：王駿(1990-)，男，安徽宣城人，合肥工業(yè)大學碩士生；

中圖分類號：TU473.16

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0088-03

李凡(1967-)，男，安徽明光人，博士，合肥工業(yè)大學教授．