樁基檢測(cè)中的兩種工程物探方法影響因素分析

王磊 顧廣宇

摘? 要：通過(guò)對(duì)聲波透射法、低應(yīng)變動(dòng)力法的原理及方法比較，分析了工程物探方法的應(yīng)用范圍及各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)。聲波透射法準(zhǔn)確性高，但是受場(chǎng)地環(huán)境制約因素比較多，能夠高效快捷地找到缺陷、問(wèn)題存在的位置、區(qū)域及類(lèi)型，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，而其檢測(cè)過(guò)程相對(duì)繁瑣。低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法便捷靈活，速度較快，費(fèi)用不高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，在普通民用住宅及橋梁樁身完整性檢測(cè)中應(yīng)用比較廣泛。

關(guān)鍵詞：工程物探;樁基檢測(cè);聲波投射法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU473.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1007-1903（2018）04-0071-05

0 引言

工程物探應(yīng)用于工程基礎(chǔ)、管網(wǎng)、市政等工程，在地下管道、采空區(qū)、滑坡及考古工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。主要方法有探地雷達(dá)、瞬變電磁、瑞雷波、反射波、高密度電阻率等基本物探手段。城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)勢(shì)必帶動(dòng)工業(yè)與民用建筑的開(kāi)發(fā)利用，建筑體的性能和質(zhì)量關(guān)系到每個(gè)人的生命財(cái)產(chǎn)安全。樁基礎(chǔ)工程是隱蔽工程，其安全性決定了基礎(chǔ)工程的牢固耐用程度。如何保證在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中排除不利因素的干擾，同時(shí)選擇合適的判讀方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，是樁基檢測(cè)工作的重要一環(huán)。研究工程物探方法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用，可更好地在隱蔽工程中發(fā)揮物探的作用。

1 低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)

1.1 原理及方法

低應(yīng)變反射波法的主要是檢測(cè)樁身結(jié)構(gòu)的完整性和樁身長(zhǎng)度，如夾泥、擴(kuò)徑、縮徑、斷樁等樁身質(zhì)量問(wèn)題。這里以武漢巖海公司RS-1616K儀器為例（圖1），利用尼龍錘（或力棒、鋼棒）在樁頭混凝土新鮮面施加一小沖擊擾動(dòng)力F（t），激發(fā)一應(yīng)力波沿樁身傳播，然后利用高阻尼速度計(jì)或加速度計(jì)接收信號(hào)（由初始信號(hào)、樁身缺陷或樁底反射信號(hào)）組合的時(shí)程曲線，經(jīng)儀器存儲(chǔ)記錄并用分析軟件V2.72進(jìn)行信號(hào)放大、平滑、濾波等處理后，得到加速度時(shí)程曲線。通過(guò)顯示曲線形態(tài)特征可以研判阻抗缺陷所在位置和分析樁長(zhǎng)，由平均波速大小確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)，再結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料和樁基施工記錄做出對(duì)樁身完整性的整體質(zhì)量判別。波速C向下傳播，應(yīng)力波通過(guò)樁阻抗z （Z ： AC） 變化界面時(shí)一部分應(yīng)力波產(chǎn)生反射向上傳播，其它部分應(yīng)力波向下傳播至樁端，在樁端處又產(chǎn)生反射，砼速度C及缺陷深度L可按下列公式計(jì)算：

式中：L為測(cè)點(diǎn)下樁長(zhǎng)（m）;ΔT為速度波第一峰與樁底反射波峰間的時(shí)間差;Δtx為速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時(shí)間差;Cm為樁身波速的平均值（m/s）。

1.2 實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中影響因素分析

（1）低應(yīng)變反射波法受地層變化影響較大，檢測(cè)精度相對(duì)較低，且檢測(cè)結(jié)果受樁長(zhǎng)和樁徑影響較大，一般適用于樁徑較小、樁長(zhǎng)較短的灌注樁。該方法檢測(cè)簡(jiǎn)便、速度快，但如何獲取好的波形，如何較好地分析樁身完整性是檢測(cè)工作的關(guān)鍵。

（2）傳感器的阻抗程度、靈敏性、測(cè)量及頻率響應(yīng)的范圍是決定反射波信號(hào)精確度的直接因素。當(dāng)阻抗界面發(fā)生了異?，F(xiàn)象，則可以表明基樁中存在明顯的問(wèn)題或可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)（許顏等，2011）。

（3）錘擊能量的大小對(duì)其檢測(cè)結(jié)果的正確性具有關(guān)鍵性的作用，受土方與基樁的影響，樁身混凝土的彈性在這種樁土相互合作的情況下，其彈性會(huì)受到一定的影響。如果在錘擊能力較小的環(huán)境下，應(yīng)力波的傳播直徑會(huì)變短，能夠潛入到基樁地下，檢測(cè)到其存在的安全問(wèn)題（圖2）。而當(dāng)錘擊能力過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基樁周?chē)膽?yīng)力波反射信息不準(zhǔn)確，進(jìn)而形成檢測(cè)盲區(qū)（圖3），給后續(xù)判斷基樁淺部是否存在缺陷帶來(lái)極大的影響。

（4）低應(yīng)變檢測(cè)過(guò)程中對(duì)樁頭的處理程度及錘擊速度、混凝土強(qiáng)度及樁頭處理好壞要求都非常高，若有偏差及操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真至最終的誤判。以筆者在同一工地、同一環(huán)境下采集到的正常波形比對(duì)（圖4），理想的檢測(cè)效果是處于樁砼新鮮面之上，樁頭清理不干凈、有浮漿破碎面會(huì)導(dǎo)致波形失真、引發(fā)誤判（圖5）。實(shí)際檢測(cè)中如錘擊點(diǎn)位在樁頂?shù)木唧w位置，錘擊點(diǎn)與傳感器之間的位置關(guān)系，耦合劑的選用是否合適，樁基周?chē)翆拥淖兓葘?duì)低應(yīng)變反射波法檢測(cè)都有一定影響。在實(shí)際檢測(cè)中影響檢測(cè)結(jié)果的因素有很多，這需要有經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)工作人員盡早發(fā)現(xiàn)，理性分析，合理解決。

（5）砼強(qiáng)度必須保證齡期足夠的狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)工作中往往因?yàn)闃I(yè)主單位需要或是某些特殊情況，在樁身養(yǎng)護(hù)不到位、混凝土齡期不夠的情況下開(kāi)展檢測(cè)工作，這會(huì)很大程度上影響檢測(cè)效果，會(huì)導(dǎo)致波速比正常樁波速低很多。對(duì)比不同日期檢測(cè)到的波形（圖6），這種情況下，即使波形上反映無(wú)樁身缺陷，樁的豎向抗壓強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)承載力要求。

（6）以筆者多年在低溫環(huán)境下進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)的實(shí)際效果為例，當(dāng)傳感器與樁頭界面耦合時(shí)，對(duì)耦合劑的選擇也至關(guān)重要，一般情況下采用的是黃油、石膏或者橡皮泥，若是采用黃油和橡皮泥，低溫情況下（零下25℃以下）會(huì)導(dǎo)致速度計(jì)與樁頭脫節(jié)，檢測(cè)效果非常差，所以在超低溫環(huán)境下要采用耦合效果更好的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，比如凝膠、粘合劑，這樣才會(huì)保證采集理想的波形。

2 聲波透射法

2.1方法原理

當(dāng)樁身砼內(nèi)部有夾泥、離析、空洞等缺陷時(shí)，超聲波在遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生繞射，聲時(shí)加長(zhǎng)，從而導(dǎo)致波速降低發(fā)生反射和散射，導(dǎo)致能量衰減，波幅降低，由于多種波形的相互影響和疊加，會(huì)使波形發(fā)生畸變。因此，根據(jù)超聲波在混凝土中傳播過(guò)程的多種聲學(xué)參數(shù)的變化，可以判斷混凝土中是否存在缺陷、裂縫破壞及存在位置、深度，對(duì)樁身完整性和樁身質(zhì)量類(lèi)別進(jìn)行判定。主要測(cè)試聲參量有聲速、波幅、 PSD 值、主頻及波形圖（劉德貴等，2009;鄧國(guó)文等，2013）。

這里以武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-ST03D（T）非金屬超聲儀為例。將換能器置于兩根聲測(cè)管中的測(cè)點(diǎn)位置。二個(gè)換能器測(cè)點(diǎn)間距不宜大于20cm。這時(shí)我們需要觀測(cè)記錄時(shí)程曲線，讀取聲時(shí)、首波峰值、周期值、頻譜曲線及主頻值等參數(shù)數(shù)據(jù)。將多根聲測(cè)管以?xún)筛鶠橐粋€(gè)檢測(cè)剖面進(jìn)行組合，對(duì)所有剖面進(jìn)行聲波測(cè)量。在可能存在缺陷測(cè)點(diǎn)周?chē)?，?yīng)加密測(cè)點(diǎn)（采用斜測(cè)或扇形掃測(cè)）進(jìn)行復(fù)測(cè)（圖7），進(jìn)一步確定缺陷范圍。在同一根樁檢測(cè)時(shí)，針對(duì)各個(gè)剖面調(diào)節(jié)和設(shè)定過(guò)程中的發(fā)射電壓、檢測(cè)參數(shù)應(yīng)一致。

2.2 影響因素分析

（1）砼強(qiáng)度對(duì)波形的影響：超聲波是一種彈性波，在混凝土介質(zhì)的傳播服從彈性波的傳播規(guī)律，其波形和傳播速率隨砼強(qiáng)度的變化而變化，砼強(qiáng)度越高，其傳播速度越快。如果砼介質(zhì)完整性好，質(zhì)量均勻，則其波形完整，波速正常，波幅均一性完好。

（2）聲測(cè)管：聲速的計(jì)算需要考慮精度因素，對(duì)聲測(cè)管管距測(cè)量要精確，因此要考慮聲測(cè)管壁的厚度和管徑的大小，誤差不能超過(guò)1%。

（3）聲測(cè)管接頭產(chǎn)生異常。多個(gè)聲測(cè)管相連接的時(shí)候，換能器位于接頭位置會(huì)發(fā)生聲參量異?，F(xiàn)象，測(cè)點(diǎn)振幅增大，聲速本身沒(méi)有變化（孟新秋等，2017）。這時(shí)要繼續(xù)采用斜測(cè)法進(jìn)行驗(yàn)證（同一位置），進(jìn)一步查明是不是接頭不正確導(dǎo)致出現(xiàn)了異常。

（4）聲測(cè)探頭提升速度也會(huì)影響測(cè)量質(zhì)量。檢測(cè)過(guò)程中探頭如果沒(méi)有勻速提升，探頭發(fā)生傾斜顫動(dòng)或搖晃時(shí)波形會(huì)產(chǎn)生畸變（在樁底和樁頂部位明顯），嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)首波誤判，影響最終對(duì)樁身質(zhì)量的判別。快速提升波形紊亂（圖8），勻速提升波形較好，首波判讀無(wú)誤（圖9）。所以，提升探頭要?jiǎng)蛩倬徛乐雇饨缯J(rèn)為活動(dòng)干擾，靜心進(jìn)行。另外在提升過(guò)程中探頭盡量保持對(duì)齊，由于測(cè)繩、管徑或人員站位角度不同等因素，探頭距離過(guò)大會(huì)導(dǎo)致速度降低，所以在提升過(guò)程中應(yīng)保持探頭間同步（劉德華等，2018）。

（5）對(duì)于高寒地區(qū)，聲測(cè)管在冬天灌入水后表層會(huì)結(jié)冰，這時(shí)一定要考慮誤差，因?yàn)楸畬訒?huì)導(dǎo)致波速和聲幅降低，影響采集信號(hào)的規(guī)則性。因此聲波檢測(cè)法對(duì)環(huán)境溫度的要求比較高，只有在特定環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件下選擇不同的檢測(cè)方法和手段，保證現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)的真實(shí)性和精準(zhǔn)性是檢測(cè)環(huán)節(jié)最為重要的條件，室內(nèi)分析研判和最終檢測(cè)成果的出具都要依托現(xiàn)場(chǎng)最為真實(shí)可靠的檢測(cè)原始記錄。

3 結(jié)論

（1）聲波透射法檢測(cè)中，除了樁身本身存在有缺陷外，檢測(cè)過(guò)程中的聲測(cè)管接頭、提升速度、聲測(cè)管質(zhì)量問(wèn)題、混凝土養(yǎng)護(hù)和齡期、環(huán)境溫度和檢測(cè)人員水平等是影響檢測(cè)結(jié)果的非常重要的因素，應(yīng)該引起我們足夠的重視。

（2）傳感裝置是有利于收集樁基相關(guān)信號(hào)的重要核心設(shè)備，是低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)中非常重要的信號(hào)采集裝置，其靈敏性和使用方法及保養(yǎng)程度決定波形好壞，如何保證在檢測(cè)過(guò)程中裝置與樁身更緊湊的融為一體，是精準(zhǔn)的接收到完美信號(hào)、獲取最精確的數(shù)據(jù)的前提，對(duì)最終的研判起到?jīng)Q定性的作用。

（3）聲波透射法可以檢測(cè)全樁各橫截面積砼質(zhì)量情況，其結(jié)果比低應(yīng)變法更直接可靠，同時(shí)不受長(zhǎng)徑比和樁長(zhǎng)限制。

（4）以現(xiàn)有的檢測(cè)方法和儀器，灌注樁質(zhì)量檢測(cè)中最普遍的方法是低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)和聲波透射法，這兩種檢測(cè)方法有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

（5）無(wú)論是低應(yīng)變還是聲波透射法檢測(cè)，都要等到樁身混凝土齡期超過(guò)28天之后待檢測(cè)，時(shí)間過(guò)短采集不到真實(shí)數(shù)據(jù)。而且樁頭一定要待施工方清理干凈漏至混凝土新鮮面使傳感器利于粘合的狀態(tài)下方可檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

鄧國(guó)文，王齊仁，化得鈞，等，2013. 聲波透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 工程勘察，41（6）： 92-95.

劉德貴，姚勇，王寧，2009 . 超聲波透視法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 路基工程，（2）： 159-161.

劉德華，閆永輝，李東海，等，2018. 聲波透射法樁基檢測(cè)過(guò)程中的影響因素與控制措施[J]. 市政技術(shù)，36（4）： 227-228.

許顏，耿盛楠，李松然，2011. 低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)在樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用分析[J].中州煤炭，33（11）： 32-33.

孟新秋，馬健，劉麗，2017 . 聲波透射法樁基檢測(cè)非缺陷性影響因素[J]. 土工基礎(chǔ)，31（6）： 771-774.