聲波透射法聲測管管距修正方法研究

摘 要：聲波透射法是混凝土樁完整性檢測的重要方法之一。聲測管安裝質(zhì)量直接影響到聲波透射法檢測結(jié)果的可靠性。由于各種原因造成聲測管彎斜而使檢測結(jié)果失真現(xiàn)象時有發(fā)生?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，聲測管彎斜引起管間距變化，導致聲速異常，使聲速標準差增大。當聲速標準差過大時，會造成聲速臨界值偏低而造成完整性判定失誤。因此對于由聲測管彎斜造成的聲速異常進行修正是必要的。針對聲測管彎斜特征，采用不同修正公式進行修正，取得了較好效果，聲速標準差減小，由修正前0.572km/s減小到0.1356km/s。聲速臨界值趨于合理范圍，由修正前3.137km/s增大到3.847km/s。并對聲測管彎斜變形機理進行了分析，指出聲測管與鋼筋籠焊接質(zhì)量是影響管間距的主要因素。提出了改進聲測管安裝質(zhì)量的有效措施，其焊接間距不應大于1m，焊縫長度不小于2cm。該方法可供類似工程參考應用。

關鍵詞：混凝土樁；聲波透射法；基樁檢測；管距修正；變形機理；防范措施

聲波透射法是橋梁基樁質(zhì)量檢測最常用的方法之一[1，11]。聲測管是聲波透射法的測試通道。一般混凝土樁在施工過程中設置2至4根聲測管，每2根管作為一對測試剖面，管間距即為聲波傳播的距離，其間距由樁頂管間距確定。因此要求在聲測管埋設過程中保證聲測管平行而暢通，才能保證所測結(jié)果真實反映混凝土質(zhì)量特性。其管間距平行與否，直接影響到測試結(jié)果的可靠性。由于聲測管在混凝土樁澆注過程中受到混凝土自重壓力，安裝固定不牢等因素，造成聲測管彎斜（整體彎曲、傾斜或局部彎曲、傾斜）現(xiàn)象時有發(fā)生，導致測距變化而造成聲速異常，誤差可達40%以上。當聲速標準差達到0.2km/s時，將不滿足以概率法為基礎的聲速正態(tài)分布要求，而使聲速臨界值判據(jù)偏低，導致樁身完整性誤判。為此，部分學者[7-9]對聲測管彎斜造成管距變化引起的聲速異常進行了研究。如金元采用冪級數(shù)最小二乘法對聲時——深度曲線進行擬合來消除聲速異常。張維國對聲測管彎斜的原因及類型進行了分析，提出了異常值消除法，對聲速聲幅修正。吳慧敏提出斜率法（PSD）消除聲測管不平行對聲速的影響。文章結(jié)合工程實例，結(jié)合聲測管類型分別采用線性擬合，二次曲線擬合法修正。對聲測管彎斜變形機理進行了分析，提出了防范措施。

1 管距修正原理

檢測數(shù)據(jù)包含管距變化及波速變化。波速的大小直接反映混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣。一般認為樁身混凝土質(zhì)量是一隨機變量，而管距在樁深度范圍內(nèi)應是連續(xù)變量。聲速擬合法是對聲速——深度曲線進行線性或二次曲線擬合，如不考慮混凝土質(zhì)量漸變的影響?？烧J為擬合曲線即為管距變化的趨勢線。若設該曲線中某測點對應的聲速較外露樁口對應值增加量△V，以△V修正原始聲速值后，該值即為該測點處的實際聲速值。在此基礎上采用概率法進行分析判定樁身完整性。

2 工程應用實例

如圖1至圖3為某大橋22-3號樁1-2、1-3、2-3三個測試剖面實測的聲速——深度曲線。表1為實測有關參數(shù)。由圖1可看出，1-3測試剖面聲速——深度曲線正常，聲速平均值為4.485km/s。其標準差小于0.2km/s，為0.1908km/s，聲速臨界值在4.0km/s以上，為4.103km/s。而1-2和2-3兩個測試剖面聲速——深度曲線出現(xiàn)異常，說明2號管出現(xiàn)彎曲與彎折現(xiàn)象。導致管距變化，使1-2剖面聲速明顯降低，2-3剖面聲速明顯增大。其標準差偏大，分別達到0.38km/s和0.57km/s，臨界聲速值明顯偏低，分別為3.137km/s和3.695km/s，據(jù)此判定樁身完整性將導致誤判。由該樁斜率法和聲幅——深度曲線表明樁身混凝土質(zhì)量無明顯缺陷，聲速異常完全是管距變化所致，故需對聲速進行修正。根據(jù)2-3剖面聲速——深度曲線特征，采用分段線性擬合法修正，擬和曲線方程分別為

Y=0.05736x+0.14406（0.25m？燮x？燮39.0m）

相關系數(shù)R=0.98275

Y=-0.18536x+9.53794 （39.25m？燮x？燮51.25m）

相關系數(shù)R=0.98094

根據(jù)1-2剖面聲速——深度曲線特征，也采用分段線性擬合法修正，擬和曲線方程分別為

Y=-0.0135621x+0.23245454 （0.25m？燮x？燮37.0m）

相關系數(shù)R=0.7981801

Y=-0.07114642x-2.7695627 （37.25m？燮x？燮51.25m）

相關系數(shù)R=0.93495593

比較表1、表2和圖1、圖2數(shù)據(jù)和曲線，采用擬合曲線法修正后的曲線消除了管距變化的影響，其聲速臨界值達到合理值范圍。

3 彎管形成機理分析及應對措施[12]

聲測管一般通過焊接方式與鋼筋籠固定，當焊接不牢或出現(xiàn)虛焊時，遇到混凝土自重壓力時，將受到混凝土橫向膨脹力作用而將焊接點拉開。其受力狀態(tài)如受均布力作用的簡支梁。

假定聲測管為外徑Ф50mm、內(nèi)徑Ф46mm的鋼管，其彈性模量E=210Gpa，截面抗彎系數(shù)Ix=，式中D為鋼管外徑，d為鋼管內(nèi)徑，單位：mm。當某一焊點開裂，焊點間距（跨度）由1m變?yōu)?m。若連續(xù)2個焊接點開裂，間距將增大到3m。假定聲測管受混凝土壓力為均勻分布，線荷載為12.5KN/m。當無焊點開裂時，聲測管最大變形為0.89cm，當出現(xiàn)1點開裂時，跨度增大到2m，最大變形為14cm，出現(xiàn)連續(xù)2點開裂時，最大變形為72cm。也就意味聲測管間距分別增大14cm和72cm。若選用Ф60mm，內(nèi)徑Ф54mm鋼管。焊點間距1m時，最大變形為0.35cm，焊點間距2m時，最大變形為5.67cm，焊點間距3m時，最大變形為28.7cm。由此可看出聲測管的選材和焊接質(zhì)量特別重要。對于長大樁，聲測管宜選用Ф60mm鋼管，焊接點間距不大于1m，焊縫長度宜大于2cm，防止出現(xiàn)虛焊。

4 結(jié)束語

通過對聲測管管距修正方法及聲測管變形機理分析，得出如下結(jié)論：

（1）當聲速——深度曲線異常，聲速標準差小于等于0.2km/s，臨界聲速值明顯偏低，且PSD曲線和聲幅——深度曲線正常時，表明聲測管間距異常，需進行管距修正。對聲測管管距修正應根據(jù)曲線特征分別采用分段線性修正或二次曲線修正。

（2）經(jīng)修正后的聲速——深度曲線變?yōu)檎?，聲速標準差?.2km/s，臨界聲速值趨于正常，為正確判定樁身完整性提供了可靠依據(jù)。

（3）聲測管彎曲變形是導致聲測管間距變化的主要原因。當采用Ф50mm鋼管時，若焊接點開裂1點，會使管間距增大14cm，若焊接點開裂2點，會使管間距增大72cm。若改用Ф60mm管，焊點開裂導致的管距變化會明顯減小。

（4）為提高聲測管埋設質(zhì)量，保障管距正常。建議對于40m以上長大樁，采用Ф60mm管，壁厚不小于3mm。與鋼筋籠焊接間距不大于1m，焊縫長度不小于2cm。

參考文獻

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作者簡介：董承全（1951-），男，高級工程師，從事鐵道工程試驗與檢測工作。