超聲波在混凝土樁基礎(chǔ)無損檢測中的應(yīng)用

(四川川交道橋試驗檢測有限責(zé)任公司， 四川 廣漢 618300)

混凝土樁基礎(chǔ)是由多根混凝土樁加上承臺形成的整體，其在整個橋梁結(jié)構(gòu)中起著重要的荷載承載作用。通過將橋梁上部結(jié)構(gòu)中的巨大荷載傳遞至下部土層中，以此為混凝土樁基礎(chǔ)提供安全保障[1]。通常情況下，混凝土樁基礎(chǔ)的質(zhì)量與整個橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、耐久性密切相關(guān)。

1 超聲波無損檢測技術(shù)介紹

在路橋工程施工中，經(jīng)常采用的混凝土樁基施工質(zhì)量檢測方法有高應(yīng)變法、鉆芯取樣法、低應(yīng)變法和靜荷載試驗法等。但以上質(zhì)量檢測方法檢測成本高、所用時間長，且檢測結(jié)果可靠性低，一般只適合于小比例抽檢。在有些工況下，施工質(zhì)量檢測所用設(shè)備龐大，不便于現(xiàn)場開展檢測工作。在此背景下，超聲波無損檢測技術(shù)應(yīng)用而生。其作為一種歷經(jīng)幾十年發(fā)展歷程的質(zhì)量檢測方法，基于其強大的無損檢測技術(shù)優(yōu)勢，可快速、準(zhǔn)確及便捷對橋梁工程樁基礎(chǔ)質(zhì)量進(jìn)行檢測。

2 超聲波無損檢測原理

采用超聲波無損檢測技術(shù)對橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行質(zhì)量檢測時，主要基于超聲波的介質(zhì)傳播原理進(jìn)行檢測。由于聲波在介質(zhì)中傳播時，其從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，聲波能量與傳播規(guī)律均會發(fā)生變化。而橋梁水泥混凝土樁基礎(chǔ)作為一種由砂、水和水泥等材料組成的復(fù)雜混合物，超聲波在檢測傳播時也具有一定的規(guī)律。

對于施工質(zhì)量較好的橋梁樁基礎(chǔ)而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，均勻，無損檢測時，聲波會按一定的規(guī)律均勻分布。但在檢測質(zhì)量較差的橋梁樁基礎(chǔ)時，由于混凝土結(jié)構(gòu)存在“夾泥”、“裂縫”及“蜂窩”等質(zhì)量缺陷。因此，當(dāng)聲波遇到以上阻抗時，會沿著不同的方向無規(guī)律傳播，由此可以采用超聲換能器通過分析超聲波波形、波幅和聲速，即可對橋梁樁基礎(chǔ)內(nèi)部質(zhì)量問題進(jìn)行識別判斷。正是基于異常與正常的聲波傳播規(guī)律特征，使超聲波無損檢測技術(shù)在橋梁樁基礎(chǔ)質(zhì)量檢測中取得了良好的成效[2]。

3 超聲波在混凝土樁基礎(chǔ)無損檢測中的影響因素

3.1 混凝土樁基礎(chǔ)質(zhì)量缺陷對超聲波波速的影響

在對混凝土樁基礎(chǔ)進(jìn)行質(zhì)量檢測時，若遇裂縫、空洞等質(zhì)量缺陷，由于這些缺陷界面有很大的反射系數(shù)。所以，超聲波無法在混凝土缺陷界面進(jìn)行快速傳播，其只能沿著混凝土缺陷邊緣傳播聲波與能量，由此會增加超聲波傳播路徑。所以，在超聲波無損檢測過程中，所需時間要比正?；炷翗痘A(chǔ)所用檢測時間長。同時，在對超聲波波速進(jìn)行計算時，由于聲波接收與發(fā)送端的距離不變，所以超聲波的聲速會減小。

3.2 混凝土樁基礎(chǔ)質(zhì)量缺陷對超聲波波幅的影響

當(dāng)混凝土樁基中出現(xiàn)蜂窩及夾泥等質(zhì)量缺陷時，其會散射或吸收聲波能量，由此會減小超聲換能器接收端的聲波波幅。對此情況，要在超聲波無損檢測混凝土樁基礎(chǔ)時，以超聲波儀器的首波為波幅。在此過程中，為了增強混凝土樁基礎(chǔ)超聲無損檢測效果，要在裝滿清水的聲測管中放置超聲檢測換能器，以水為超聲檢測換能器接受聲波的耦合劑。由于聲速和波幅對超聲無損檢測質(zhì)量缺陷的敏感性不同，據(jù)此即可判斷混凝土樁基礎(chǔ)的質(zhì)量缺陷。

3.3 混凝土樁基礎(chǔ)質(zhì)量缺陷對超聲波波形的影響

當(dāng)混凝土樁基礎(chǔ)中產(chǎn)生質(zhì)量缺陷時，超聲波會在混凝土樁基礎(chǔ)質(zhì)量缺陷處反射及折射和波形轉(zhuǎn)換，從而使超聲無損檢測換能器接收端的各種波相疊加，由此會使超聲波波形畸變。

4 混凝土樁基礎(chǔ)無損檢測中采用的超聲波設(shè)備

4.1 混凝土樁基礎(chǔ)超聲波檢測儀

超聲波檢測儀是混凝土樁基礎(chǔ)無損檢測中使用的一種重要設(shè)備，其不僅能夠接收超聲換能器發(fā)送端傳遞的信號，還可將電脈沖信號發(fā)送給超聲換能器發(fā)射端。在此過程中，換能器發(fā)射端發(fā)送的信號由超聲波檢測儀進(jìn)行整理，由此形成可直接觀看的波幅或波形等信息數(shù)據(jù)。

4.2 超聲檢測換能器

采用超聲波換能器對混凝土樁基礎(chǔ)進(jìn)行無損檢測時，關(guān)鍵問題是如何通過能量轉(zhuǎn)換發(fā)射超聲波。首先，需將超聲波的電能轉(zhuǎn)換為聲波能量，然后再將超聲波發(fā)射至待檢測的混凝土樁中。當(dāng)混凝土樁基中有超聲波經(jīng)過時，還需基于超聲換能器將超聲波轉(zhuǎn)換為電量。在超聲檢測過程中，需在聲測管中放置超聲換能器，使聲波發(fā)射端發(fā)射的超聲波由待測混凝土樁基到達(dá)接收端，以此完成對相關(guān)信息資料的采集。因此，基于超聲波對混凝土樁基進(jìn)行超聲無損檢測時，需確保超聲換能器設(shè)備直徑不能超過聲測管；同時，其水密性要好，且連接超聲換能器的電纜要有能夠?qū)ο路派疃冗M(jìn)行計量的標(biāo)識。

4.3 混凝土樁基礎(chǔ)無損檢測聲測管

超聲換能器在對混凝土樁基進(jìn)行超聲無損檢測時，需由聲測管為其提供工作環(huán)境。一般在平行或豎直方向中布置2根或2根以上的全金屬聲測管。在實際檢測過程中，要根據(jù)混凝土樁基的直徑?jīng)Q定全金屬聲測管的布設(shè)數(shù)量。將清水注入聲測管中，并移動聲測管內(nèi)的超聲換能器，以此對不同截面的混凝土樁基礎(chǔ)質(zhì)量進(jìn)行測量。

5 基于超聲波對混凝土樁基礎(chǔ)無損檢測

某工程在混凝土樁基礎(chǔ)質(zhì)量檢測時，基于超聲波進(jìn)行無損檢測，以通過試驗研究方法，驗證該檢測方法的可行性與有效性[3]。試驗檢測過程如下：

(1) 超聲波無損檢測試驗設(shè)計

本試驗采用的混凝土等級為C30，粗骨料最大粒徑為35 mm。在檢測試驗過程中，制作了 8塊立方體試件進(jìn)行超聲無損檢測試驗，試塊尺寸為 15cm×15cm× 15cm，然后在試塊中人為制造了“分層”、“空洞”與“疏松”三種質(zhì)量缺陷，并將試塊分別標(biāo)識為“密實型5號(試塊中分布有高3cm、直徑3cm的圓柱形空洞質(zhì)量缺陷)”、“疏松型3號、4號”和“完全密實型1號、2號”、“疏松型6號(試件中分布有高3cm、直徑3cm的圓柱形空洞質(zhì)量缺陷)”、“試件7號(試塊中間有分層質(zhì)量缺陷)”、“試件8號(試塊中間有分層質(zhì)量缺陷)”。

(2) 超聲波無損檢測

采用超聲波檢測儀進(jìn)行超聲無損檢測時，其工作電壓、低通頻率、高通頻率、檢測采樣長度、聲時精度、接受靈敏度參數(shù)分別設(shè)置為800V、500KHz、4500KHz、16K、0.1μs、≤25μs。同時，配備壓電陶瓷式換能器(d=4cm)，當(dāng)8個混凝土樁基礎(chǔ)試塊制作成型7d、14d、28d后進(jìn)行超聲波無損檢測。

檢測結(jié)果顯示，1號、2號試件在超聲檢測時聲時最小，聲幅最大，聲波傳遞最為集中，由于該試件在檢測時超聲波能量散失少，因此試件最為密實。而 5號試件雖然在超聲無損檢測過程中所用聲時少，聲速大，但由于其內(nèi)部存在細(xì)微空洞質(zhì)量缺陷。因此，聲波在傳遞過程中會有一定的損失，由此說明 5號試件外表密實，內(nèi)部存在質(zhì)量缺陷。

按照超聲傳播原理，疏松型試件在超聲檢測時聲波會在內(nèi)部散射。故一般情況下，內(nèi)部存在孔洞質(zhì)量缺陷的試件，其聲幅較小，3號、4號及6號試件在超聲無損檢測時，聲速小，所用聲時大，聲幅小，且聲波能量散失最為嚴(yán)重，由此表明該混凝土樁基試快結(jié)構(gòu)密實性較差。

此外，試件7和8在檢測時，聲波傳遞分散且不連續(xù)，聲時最大，聲速和聲幅最小，由此說明試快內(nèi)部存在夾層或分層等質(zhì)量缺陷，阻礙了聲波的連續(xù)傳遞。

綜上檢測結(jié)果表明，混凝土樁基試快齡期不同，其聲幅與聲速在檢測時的變化規(guī)律也存在很大差異。但14d和28d的混凝土樁基試快超聲無損檢測結(jié)果基本相同。由此說明，14d以后，混凝土樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，質(zhì)量基本無缺陷。

6 結(jié)語

由于樁基礎(chǔ)施工具有一定的隱蔽性，因此在施工及后期維護(hù)過程中難以發(fā)現(xiàn)其中的質(zhì)量病害。在整個施工過程中，對橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行質(zhì)量檢測非常關(guān)鍵。應(yīng)用結(jié)果表明，超聲波無損檢測技術(shù)在橋梁工程混凝土樁基礎(chǔ)質(zhì)量檢測中具有重要作用，其可有效對橋梁混凝土樁基礎(chǔ)中尚存的質(zhì)量問題進(jìn)行檢測，從而為橋梁混凝土樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量病害處理及預(yù)防提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

[1]張苗洲.基樁超聲波檢測法在灌注樁檢測中的運用簡析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2013,(12):204-204.

[2]王述紅,張鑫,趙振東等.聲波透射法檢測大直徑灌注樁試驗研究[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2011,32(6):868-870.

[3]張繼華,孫華圣,陳家瑞等.聲波透射法檢測樁基完整性原理及工程應(yīng)用[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報,2017,26(1):47-51.