淺析聲波透射法與低應(yīng)變法綜合檢測樁基

覃 錕

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

樁基是公路橋梁采用較多的基礎(chǔ)，其質(zhì)量關(guān)系到整座橋的工程質(zhì)量。樁基由于受到地質(zhì)條件和施工人員、機(jī)械、材料等條件的影響，容易產(chǎn)生斷樁、縮徑、擴(kuò)徑、離析、樁底沉渣過厚、混凝土強(qiáng)度不足、夾層等缺陷。樁基檢測工作就是要找到這些缺陷進(jìn)行處理，最普遍、簡單的檢測方法是聲波透射法和低應(yīng)變法。本文根據(jù)現(xiàn)場檢測經(jīng)驗(yàn)，對兩種方法進(jìn)行對比和總結(jié)，綜合兩種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，提高對樁基缺陷判斷的準(zhǔn)確率。

1 樁基的缺陷類型和成因

由于樁基施工工藝不合理或地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，樁基通常會出現(xiàn)各種缺陷，不同程度地影響樁基的承載能力：

(1)斷樁，指樁身斷裂或者斷開的情況，是一種嚴(yán)重的缺陷，直接影響樁基承載力。斷樁主要由外界壓力過大或者拔管過快造成。

(2)樁底沉渣過厚，指樁底與巖層之間存在過厚的軟弱層。對于端承樁來說，這種缺陷在很大程度上影響了樁基的承載力。這主要是清孔不干凈或者灌注前塌孔造成的。

(3)離析，主要是混凝土配合比不當(dāng)或和易性不好，造成某一段混凝土骨料不均勻，混凝土呈現(xiàn)蜂窩狀或含砂過高的形態(tài)，這也直接導(dǎo)致了樁身強(qiáng)度偏低，承載力不足。

(4)夾泥、空洞、擴(kuò)徑、縮徑，主要是混凝土材料沒有嚴(yán)格控制，混入了泥土；地基土質(zhì)黏性大或者孔壁在混凝土灌注時(shí)出現(xiàn)輕微塌孔造成的。

本節(jié)分析出缺陷的成因及現(xiàn)象，有助于選擇檢測方法，更加直觀地分析檢測數(shù)據(jù)、判斷樁身缺陷。

2 聲波透射法檢測

2.1 聲波透射法原理

聲波透射法檢測就是利用波的傳播理論[1]。當(dāng)混凝土樁存在缺陷時(shí)，混凝土就不再是一個(gè)均勻的整體，缺陷面就形成了一個(gè)阻抗面，應(yīng)力波在阻抗面會產(chǎn)生反射和折射，波速和波幅也會發(fā)生相應(yīng)的變化。而聲波透射法就是利用這一原理，在聲測管中向混凝土發(fā)射超聲波，超聲波在經(jīng)過缺陷時(shí)，產(chǎn)生了繞射和散射，儀器接收到這些缺陷信息，將其與完整的信息參數(shù)作對比分析，就可以了解到混凝土內(nèi)部的質(zhì)量狀況。

2.2 聲波透射法判定依據(jù)

通過聲時(shí)、波幅、接收到的波頻率和波形以及分析后的PSD判據(jù)對樁基缺陷進(jìn)行判斷。

(1)聲時(shí)是超聲波由換能器發(fā)出，穿過混凝土后接收器接收到超聲波的時(shí)間。如果混凝土質(zhì)量沒有缺陷，當(dāng)聲測管距離不變時(shí)，儀器接收到的聲時(shí)應(yīng)當(dāng)沒有太大變化；如果樁基存在斷樁、離析、空洞等缺陷時(shí)，超聲波到阻抗界面時(shí)會產(chǎn)生反射、透射和繞射，聲波傳播時(shí)間就會延長。儀器經(jīng)過分析數(shù)據(jù)生成“聲時(shí)-深度”圖，就可以更加直觀了解到檢測剖面的情況了。

(2)波幅也是判定樁基是否存在缺陷的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。混凝土的密實(shí)度會影響聲波波幅，樁身越密實(shí)，波幅越大；越松散，波幅越小。聲波通過缺陷形成的阻抗面時(shí)發(fā)生反射和散射，能量被大大削弱了。在聲波透射法中，我們以首波的波幅來判斷樁身是否存在缺陷。

(3)接收到的波頻率和波形也是我們判定樁身是否存在缺陷的依據(jù)，不同頻率的超聲波在混凝土中傳播的衰減量不同，混凝土內(nèi)部質(zhì)量越差，超聲波衰減越大，接收到的頻率越低。首波的第一個(gè)周期計(jì)算衰減的頻率比較準(zhǔn)確。由于有各種各樣的缺陷界面，聲波經(jīng)過缺陷面會產(chǎn)生反射和折射，這些雜亂無章的聲波互相疊加后形成新的波形，因此，接收到新的波形也可以判斷缺陷。

(4)PSD判據(jù)。由于工程多數(shù)是在野外施工，受種種條件的約束，灌注樁的均勻性往往較差。超聲波檢測得到的各項(xiàng)參數(shù)離散性較大，聲測管間距也存在變化。因此，其他參數(shù)使用概率法容易造成誤判。PSD判據(jù)可以有效克服該缺點(diǎn)，準(zhǔn)確地分辨出缺陷。PSD判據(jù)利用“聲時(shí)-深度”曲線相鄰兩點(diǎn)的時(shí)間差和兩點(diǎn)連線的斜率的乘積作為判據(jù)，再結(jié)合其他參數(shù)情況來判定波形是否異常。這樣能夠消除聲測管偏差及樁身均勻性不足等因素對檢測的影響，有效地對缺陷進(jìn)行判斷。

如果只依靠聲波透射法檢測樁基的指標(biāo)評定很容易出現(xiàn)誤判、漏判，準(zhǔn)確性差。只有結(jié)合多種數(shù)據(jù)類型，綜合評判才能得到可靠的結(jié)果。

3 低應(yīng)變法

3.1 低應(yīng)變法原理

低應(yīng)變法是將樁身假設(shè)為一維彈性桿[2]。檢測前先將樁頂?shù)能浫鯇予彸缓蟾鶕?jù)樁徑大小設(shè)置傳感器的位置。檢測時(shí)錘擊樁頂形成應(yīng)力波，應(yīng)力波在樁身中向下傳播，當(dāng)應(yīng)力波遇到缺陷面時(shí)，由于波阻抗發(fā)生變化，入射波發(fā)生透射、反射、散射，傳感器接收到這些波形，通過對這些波形的分析，由反射波聲時(shí)可以推斷出樁長和缺陷深度；由反射波的正反向、波幅大小可以判斷缺陷的類型。低應(yīng)變法的理論基礎(chǔ)實(shí)際就是一維彈性桿件的彈性波傳播理論。

3.2 現(xiàn)場檢測低應(yīng)變的注意事項(xiàng)

(1)首先應(yīng)當(dāng)對樁基進(jìn)行必要的處理，先鑿除樁頂軟弱層，使樁露出密實(shí)的混凝土面，根據(jù)樁徑的大小對樁基的傳感器進(jìn)行布點(diǎn)，布點(diǎn)位要打磨光滑，這樣才能使傳感器有效粘結(jié)，也方便激振信號。

(2)激振時(shí)，傳感器和激振方向都要盡量滿足豎直向下，傳感器與樁身要耦合好，粘結(jié)劑通常選用黃油。粘結(jié)劑要求劑量適中，劑量過少容易造成傳感器不穩(wěn)；劑量過多，傳感器接收到的數(shù)據(jù)質(zhì)量會變差。錘擊樁頂時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避開鋼筋區(qū)域，防止鋼筋產(chǎn)生干擾信號。

(3)應(yīng)當(dāng)根據(jù)樁徑、樁長的不同，選擇相適應(yīng)的材質(zhì)和質(zhì)量的力棒，這樣才能獲得適合分析的低頻的寬脈沖或高頻的窄脈沖。用適當(dāng)?shù)哪芰控Q直向下激振，使反射波形可以看到明顯的樁底信號。激振能量不應(yīng)過大，能量過大會使樁周介質(zhì)產(chǎn)生位移，干擾反射波形。還可以根據(jù)現(xiàn)場檢測情況來變換傳感器和激振位置，用不同的力棒敲擊來檢測樁基的深部和淺部缺陷情況[3]。

(4)在檢測現(xiàn)場應(yīng)當(dāng)對收集到的信號進(jìn)行預(yù)判，如果不能得到預(yù)判結(jié)果，應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場情況對該檢測點(diǎn)多次采集，若同一測點(diǎn)經(jīng)過多次檢測收集到的信號不一致或同一根樁不同檢測點(diǎn)信號不一致時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加檢測點(diǎn)。分析造成數(shù)據(jù)不一致的原因，如果樁頂有質(zhì)量問題，應(yīng)當(dāng)對樁進(jìn)行必要的處理后再次檢測。

低應(yīng)變法是在理想條件下的檢測方法，當(dāng)樁基的嵌巖深度過長，樁身和巖層波阻抗差異太小，反射波曲線無法分辨出樁底反射波形；當(dāng)檢測長徑比超過一定限定的樁，高頻波不能到達(dá)樁底，低頻波分辨率不足，缺陷容易漏判。低應(yīng)變法對淺層缺陷和太小的缺陷都無法判斷，局限性較大。

4 兩種檢測方法綜合分析

聲波透射法可以較直觀地發(fā)現(xiàn)缺陷位置，但只能對每一個(gè)剖面單獨(dú)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評估，當(dāng)受檢樁基的同一個(gè)截面上多個(gè)剖面有不同的完整性表述出來時(shí)，很難對這根樁的質(zhì)量等級進(jìn)行評價(jià)。聲波透射法還受到埋設(shè)聲測管的影響，聲測管不平行就容易造成檢測結(jié)果與實(shí)際不符。如果樁長較長，在樁底聲測管很難做到平行，給檢測人員對樁基質(zhì)量的判讀帶來困難。低應(yīng)變法只能判斷出有無缺陷及缺陷的大概位置，不能直觀地發(fā)現(xiàn)缺陷。如果樁身嵌巖深度大或者土層的阻尼過大，則樁身的缺陷及樁底反射信號基本沒有辦法接收到，由此可見兩種檢測方法的綜合分析很重要[4]。采用聲波透射法和低應(yīng)變法一起檢測樁基缺陷，一方面可以避免單一檢測方法的局限性，另一方面又可以用兩種方法相互驗(yàn)證結(jié)果，增加了判樁的準(zhǔn)確性，滿足客戶要求。

有一座在建橋梁，施工方法為機(jī)械沖孔樁，混凝土強(qiáng)度等級為C30，混凝土齡期均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對該橋采用聲波透射法和低應(yīng)變法檢測，其中有一根樁基，設(shè)計(jì)樁長為10.8 m，設(shè)計(jì)樁徑為1 500 mm，檢測結(jié)果波形圖如圖1所示。

A-B面

A-C面

B-C面

經(jīng)檢測AC剖面與BC剖面在10.0～10.8 m處聲時(shí)明顯延長，波速明顯降低，而AB剖面則無明顯變化，波形完整性較好。聲速、波幅、PSD值均顯示：在A-C、B-C兩個(gè)剖面，混凝土在10.0～10.8 m處出現(xiàn)異常，A-B面無異常，我們初步認(rèn)為A-C與B-C剖面可能存在缺陷，但也有可能是聲測管傾斜導(dǎo)致聲時(shí)和波幅的變化。為了進(jìn)一步確定缺陷的性質(zhì)和程度，對這根樁基進(jìn)行了低應(yīng)變法檢測，得到如下波形(如圖2所示)。

圖2 樁基低應(yīng)變檢測波形圖

通過低應(yīng)變法檢測結(jié)果可以分析出樁身基本完整，波形光滑，無其他明顯缺陷，在10.8 m處樁底反射信號良好，不影響樁基承載力，可以認(rèn)為圖1出現(xiàn)的問題是聲波透射法檢測中聲測管傾斜造成的缺陷信號，樁基本身無問題。

聲波透射法能比較直觀地確定缺陷位置，為檢測人員提供直觀的信息，但當(dāng)有些缺陷存在一個(gè)或幾個(gè)剖面時(shí)，不能根據(jù)這幾個(gè)剖面來判定整根樁基的質(zhì)量，這時(shí)利用低應(yīng)變法來輔助檢測，就更容易從整體上給樁基質(zhì)量定性。結(jié)合兩種方法來確定樁身的完整性更為有效，更具說服力。

本節(jié)通過實(shí)例分析了兩種檢測方法的特點(diǎn)，并認(rèn)為兩種檢測方法對樁基進(jìn)行綜合分析能夠彌補(bǔ)單一檢測方法的不足，更為有效地判斷樁基質(zhì)量。

5 結(jié)語

(1)檢測結(jié)果受多種因素的影響，根據(jù)檢測結(jié)果不同的反應(yīng)特征可以判斷出各種不同的樁基缺陷類型。很多時(shí)候，樁基檢測人員應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場檢測時(shí)詢問現(xiàn)場樁基施工情況和了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，對這些因素進(jìn)行綜合分析才能對缺陷的成因有準(zhǔn)確的判斷。

(2)不同的檢測方法能夠提供樁基的多種物理特性數(shù)據(jù)，能夠更全面地分析樁基缺陷的成因。

(3)聲波透射法能夠更加直觀地反映樁基的缺陷細(xì)節(jié)，而低應(yīng)變法能對樁基整體質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，兩種檢測方法運(yùn)用于同一根樁基中，能讓檢測人員更加準(zhǔn)確地分析樁基缺陷，得到令人信服的檢測結(jié)果。

總而言之，采用兩種檢測方法對樁基進(jìn)行綜合分析，能更加準(zhǔn)確地評價(jià)樁基質(zhì)量。

[1]劉德志.聲波透射法準(zhǔn)確判斷樁身完整性的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

[2]丁恒軒.低應(yīng)變反射波法基樁質(zhì)量檢測理論與應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[3]王樹棟，鄭亞宏，舒 森，等.低應(yīng)變法在樁基淺部缺陷檢測中的應(yīng)用[J].路基工程，2011(1)：146-149.

[4]陳 風(fēng)，徐天平.樁基質(zhì)量檢測技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.