橋梁鉆孔灌注樁跨孔聲波透射法缺陷檢測分析

趙 瑜

(山西長興路橋工程有限公司，山西 長治 046000)

1 樁基缺陷檢測技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)30年代，聲學(xué)檢測法首次被運(yùn)用到結(jié)構(gòu)混凝土檢測中，主要以混凝土中聲波傳播速度進(jìn)行質(zhì)量判定。20世紀(jì)40年代，超聲波法被運(yùn)用到混凝土質(zhì)量檢測中。1949年，英國的加特費(fèi)爾德和加拿大的切斯曼首次將超聲波技術(shù)運(yùn)用到結(jié)構(gòu)混凝檢測中。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超聲波檢測技術(shù)在軟件和硬件都得到了很大的發(fā)展，成為混凝土質(zhì)量檢測的重要方法。20世紀(jì)50年代，我國開始研究超聲波技術(shù)，60年代將超聲波檢測技術(shù)運(yùn)用到工程檢測中，70年代首部超聲波檢測儀研發(fā)制造，通過進(jìn)行多次研究，取得了很多成果。

近年來，我國公路交通事業(yè)得到了快速的發(fā)展，鉆孔灌注樁在橋梁施工中得到了大量的應(yīng)用，并促進(jìn)樁基礎(chǔ)檢測技術(shù)的快速發(fā)展。尤其在動(dòng)力試樁方面，我國進(jìn)行了大量研究，研究水平居世界前列?？缈茁暡ㄍ干浞▽儆诼暡z測法的一種，近年來得到了快速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用在橋梁鉆孔灌注樁完整性檢測中。本文對跨孔聲波透射法的基本原理進(jìn)行分析，并重點(diǎn)對樁基缺陷檢測結(jié)果進(jìn)行分析，說明其在工程建設(shè)中具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

2 跨孔聲波透射法的基本原理

跨孔聲波透射法的基本原理是基于自動(dòng)測樁系統(tǒng)的工作原理，通過在樁基中布設(shè)測點(diǎn)，通過對超聲檢查儀主機(jī)控制高壓脈沖發(fā)射系統(tǒng)，在測點(diǎn)間測試參數(shù)與測樁提升系統(tǒng)取得通信。高壓脈沖信號發(fā)出后，通過發(fā)射換能器轉(zhuǎn)化成聲波信號，聲波信號傳入聲測管間樁身后，接受換能器將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大后按照設(shè)置的增益參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，數(shù)模轉(zhuǎn)換后將調(diào)整后的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。最后，將數(shù)字信號傳輸?shù)街鳈C(jī)顯示器，顯示出波形及聲波參量，逐步將各檢測結(jié)果存儲起來，提供給工程技術(shù)人員，用來對樁基完整性進(jìn)行判定，進(jìn)而確定樁基存在的缺陷。

3 鉆孔灌注樁樁基缺陷類型的判斷

3.1 完整樁

鉆孔灌注樁樁身完整，樁身內(nèi)部混凝土均勻，超聲檢查儀高壓脈沖發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射超聲波，聲波在混凝土內(nèi)部傳播速度快，聲速約4 500 m/s左右，波幅計(jì)算公式A=Ame-al，其中，Am為樁基測點(diǎn)的激發(fā)質(zhì)點(diǎn)最大振幅值；l為聲測管的間距；A為接收到的聲波波幅值。完整樁基檢測曲線如圖1所示。

3.2 樁頭低強(qiáng)度區(qū)、沉渣、二次澆灌面

鉆孔灌注樁施工過程中，樁頭容易摻雜淤泥、鉆渣等雜物，屬于低強(qiáng)度區(qū)，施工中應(yīng)將樁頭截去。但有時(shí)由于混凝土澆筑方量不夠，可能會殘留一部分樁頭，形成低強(qiáng)度區(qū)。通過對截去的樁頭進(jìn)行觀察，可以看出樁頭內(nèi)部泥漿、浮漿的分布情況，可以把這些雜物看作較均勻低速介質(zhì)。另外，通過觀察，還可以了解到二次澆灌面的物理特征。沉渣屬于巖屑和泥漿的混合物，可以把它看作是均勻的低速介質(zhì)?？梢詫⑦@些雜志呈層狀分布，通過建立聲學(xué)物理模型，繪制層狀聲速分布圖，如圖2所示。

圖2中聲速V1>V2>V3>…>Vn，即聲速隨樁深遞減。二次澆灌面與樁頭低強(qiáng)度區(qū)類似，但低聲速區(qū)分布在完整樁身之間。沉渣位于樁基的最底部，層間聲速分布均勻，但聲速變化趨勢與圖2相反。進(jìn)一步分析可以得出聲速、波幅隨深度的變化規(guī)律。

3.3 樁身空洞與縮頸

當(dāng)混凝土內(nèi)部氣泡集中在一塊，會在樁身內(nèi)部形成空洞。樁身嚴(yán)重縮頸會造成聲測管暴露在樁身外部，在聲測管附近形成空洞。采用跨孔聲波透射法對樁身空洞進(jìn)行檢測，聲線長度計(jì)算公式為l′=(r4+l2/2)1/2，其中，r為空洞半徑；l為聲測管管距。聲線長度越大，聲時(shí)變大，聲速降低，接受的超聲波波幅也產(chǎn)生下降，主頻降低。對于產(chǎn)生嚴(yán)重縮頸的樁身，聲波體積很小時(shí)，會造成聲速和波幅降低；聲測管周圍的空洞體積過大時(shí)，會造成聲波信號接收不到。

3.4 夾泥、離析

樁身出現(xiàn)夾泥、離析時(shí)，跨孔聲波透射法檢測結(jié)果中會出現(xiàn)低聲速區(qū)。由于聲波在樁身缺陷處會發(fā)生繞射，并在缺陷內(nèi)部折射和多次反射，造成聲速降低。產(chǎn)生多次反射的波較完整樁身的波傳遞速度慢，最后被接收。樁身存在夾泥、離析缺陷時(shí)所得到的波形復(fù)雜，聲速、波幅和頻率都會下降。

4 鉆孔灌注樁質(zhì)量缺陷檢測

4.1 工程實(shí)例

某大橋設(shè)計(jì)全長126 m，采用先簡支后連續(xù)施工。樁基設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁，樁徑為φ250 cm，設(shè)計(jì)樁長為70 m，樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為345.5 m。為保證施工質(zhì)量，在樁基礎(chǔ)完工后對樁身完整性進(jìn)行檢測。采用跨孔聲波透射法進(jìn)行檢測，施工中預(yù)先在樁孔內(nèi)預(yù)埋聲測管。并根據(jù)檢測結(jié)果對橋梁存在的缺陷進(jìn)行分析，用于判斷樁基施工質(zhì)量是否合格。

4.2 樁基缺陷檢測分析

鉆孔灌注樁混凝土澆筑完成后，清除混凝土表面浮漿，對樁身混凝土采用跨孔聲波透射法進(jìn)行完整性檢測。圖3為B7號樁基超聲波檢測聲速圖，通過測量數(shù)據(jù)分析可知，在樁頂以下62 m～66 m，聲波傳播速度極低，估計(jì)樁身存在夾泥或離析等缺陷。為準(zhǔn)確核實(shí)以上結(jié)果，分別選取6個(gè)剖面對樁頂以下62 m～66 m樁身進(jìn)行CT檢測，檢測結(jié)果如圖4所示，受文章篇幅限制，只列出其中兩個(gè)剖面的CT檢測結(jié)果。

結(jié)合圖4和B7號樁基其他4個(gè)CT檢測剖面圖檢測結(jié)果，可以看出樁頂以下62 m～66 m樁身存在缺陷。芯樣長度為2.55 m，并確定其他區(qū)域無缺陷。通過進(jìn)一步鉆芯取樣，對試樣分析得出結(jié)果如表1所示。

表1 B7號樁基鉆芯取樣結(jié)果

從鉆芯取樣的結(jié)果來看，樁身上部混凝土完整性好，樁頂以下62.56 m屬完整樁。樁身以下62.56 m～64.14 m內(nèi)部摻雜粘土，64.14 m～65.32 m內(nèi)部摻雜粉砂，存在明顯缺陷，說明在鉆孔灌注樁混凝土灌注施工的過程中出現(xiàn)了塌孔。

4.3 樁身缺陷處治方案

為了對樁身缺陷部位進(jìn)行處治，預(yù)防質(zhì)量事故出現(xiàn)。對B7鉆孔灌注樁缺陷處治前，在樁基外圍采取高壓旋噴注漿技術(shù)進(jìn)行帷幕注漿，形成旋噴樁帷幕，將外界土體與樁身隔離，為下一步對樁身質(zhì)量進(jìn)行檢測提供施工條件。使用地質(zhì)鉆機(jī)在樁身鉆101 mm芯孔，對樁身缺陷部位采用高壓水或漿液切割沖洗，沖洗干凈后，注漿、旋噴補(bǔ)強(qiáng)，提高樁基礎(chǔ)強(qiáng)度，提高樁身完整性，旋噴樁及注漿取芯孔布置如圖5所示。處治完成后，再次使用跨孔聲波透射法對樁身混凝土完整性進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果表明樁身完整性良好。

5 結(jié)語

超聲波檢測技術(shù)是目前鉆孔灌注樁施工質(zhì)量檢測最有效的方法之一，在橋梁樁基檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過對跨孔聲波透射法樁基完整性檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)跨孔聲波透射法是根據(jù)檢測后得到的波形對樁基礎(chǔ)的完整性進(jìn)行判斷，確定其存在的質(zhì)量缺陷及位置。2)通過對B7號樁基采用跨孔聲波透射法進(jìn)行完整性檢測，說明樁頂以下62 m～66 m存在缺陷，經(jīng)鉆芯驗(yàn)證摻雜粘土和粉砂。3)采取高壓旋噴樁對樁基周邊旋噴樁進(jìn)行處治，并在樁身鉆芯對樁身內(nèi)部的粘土和粉砂進(jìn)行沖洗，注漿加固，經(jīng)檢驗(yàn)后說明達(dá)到了規(guī)范要求。