聲波透射法在沖孔灌注樁質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究

高 頔，白軍營(yíng)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外港口碼頭工程建設(shè)的飛速發(fā)展，高樁碼頭的應(yīng)用越來(lái)越普遍。沖孔灌注樁作為高樁碼頭中的一種常用樁基型式，其工程程序復(fù)雜，不確定因素頗多，施工難度大，在施工時(shí)易出現(xiàn)質(zhì)量安全隱患。因此，能否通過(guò)完整性檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)樁身缺陷、確定缺陷位置及性質(zhì)，并準(zhǔn)確地對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)直接關(guān)系到碼頭工程的整體安全及其使用年限。

確定沖孔灌注樁的完整性有幾種常用的測(cè)試方法。鉆芯法具有可直觀定性分析的優(yōu)點(diǎn)，但受到鉆孔位置及數(shù)量的限制，只能反映鉆孔周邊局部范圍內(nèi)的混凝土質(zhì)量，且應(yīng)用于超長(zhǎng)樁和斜樁時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多困難。低應(yīng)變法是當(dāng)前被認(rèn)為能較準(zhǔn)確測(cè)定樁身缺陷的方法之一，但受到樁的尺寸效應(yīng)、淺部盲區(qū)、多次反射疊加以及信號(hào)衰減等因素的限制，無(wú)法對(duì)樁身淺部缺陷、多個(gè)缺陷及深部或樁底缺陷進(jìn)行判定[1]。而聲波透射法作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)聲波在混凝土中的傳播速度、接收信號(hào)的振幅、頻率和波形特征作為基本判據(jù)，評(píng)價(jià)樁身混凝土的質(zhì)量，操作簡(jiǎn)單快捷，對(duì)缺陷的靈敏度高，定位準(zhǔn)確，因此在灌注樁（特別是大直徑、大長(zhǎng)度灌注樁）的完整性檢測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2]。

但是，由于混凝土屬于集結(jié)型的復(fù)合材料，界面構(gòu)成復(fù)雜，加之地質(zhì)條件以及成樁工藝復(fù)雜等情況，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中聲學(xué)參數(shù)往往會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，很容易出現(xiàn)異常測(cè)點(diǎn)。因此，如何正確采集并分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、剔除非缺陷因素對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，從而正確地對(duì)缺陷性質(zhì)和樁身完整性類別做出推斷和解釋，是工程檢測(cè)人員所面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)之一。

1 基本原理及檢測(cè)方法

聲波透射法以固體介質(zhì)中彈性波的傳播理論為基礎(chǔ)，屬于彈性波測(cè)試方法中的一種。它向混凝土介質(zhì)發(fā)射并在一定距離上接收由其介質(zhì)特性調(diào)制后的脈沖聲波。通過(guò)采集和分析聲波的聲學(xué)參數(shù)，如聲波在混凝土介質(zhì)中的傳播速度、波幅、頻率、波形等，從而對(duì)混凝土構(gòu)筑物的完整性做出評(píng)判。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)示意

當(dāng)被用于樁的完整性測(cè)試時(shí)，具體方法如下：

1）下放待測(cè)樁鋼筋籠之前，在其內(nèi)側(cè)綁扎若干根聲測(cè)管作為檢測(cè)通道（具體數(shù)量依樁徑而定），各管需對(duì)稱布置于鋼筋籠內(nèi)側(cè)且相互保持平行。

2）試驗(yàn)前保持管內(nèi)暢通，換能器探頭可在管內(nèi)自由升降，并以清水為耦合劑注滿各聲測(cè)管。

3）將聲測(cè)管按一定順序編號(hào)后以排列組合的方式兩兩一組形成檢測(cè)剖面，在測(cè)試前還需在樁頂處測(cè)得各聲測(cè)管外壁間的凈距離并記錄。

4）將超聲波發(fā)射和接收探頭分別下放至當(dāng)前檢測(cè)剖面所對(duì)應(yīng)的聲測(cè)管底部并通過(guò)電纜上的深度標(biāo)識(shí)校核兩者的位置。從樁底開(kāi)始向上同步提升探頭，在提升過(guò)程中保持兩探頭的高度差，以確保測(cè)試信號(hào)的穩(wěn)定性。

5）依照一定次序，對(duì)各檢測(cè)剖面進(jìn)行檢測(cè)。

6）使用專用數(shù)據(jù)處理軟件綜合分析接收信號(hào)的各種聲學(xué)參數(shù)，確定樁身混凝土的缺陷位置、缺陷性質(zhì)及樁身完整性類別。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析及結(jié)果判定

2.1 聲學(xué)參數(shù)與混凝土質(zhì)量的關(guān)系

當(dāng)聲波在混凝土內(nèi)部傳播時(shí)，若混凝土質(zhì)量均勻，則接收到的聲學(xué)參數(shù)特征大致相同，如果遇到蜂窩、空洞、夾泥、離析等質(zhì)量較差的部位，則會(huì)產(chǎn)生聲波漫射，從而導(dǎo)致聲波衰減、波幅減小、聲時(shí)變長(zhǎng)（聲速降低）、波形畸變等，具體關(guān)系如表1所示。

表1 接收到的聲學(xué)參數(shù)與混凝土質(zhì)量間的關(guān)系

2.2 測(cè)試誤差的消除

在聲波透射法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，各種聲學(xué)參數(shù)的收集將受到許多非缺陷因素的影響，例如管內(nèi)水渾濁、聲測(cè)管變形、探頭與管壁碰撞、聲測(cè)管接管、混凝土齡期等[3]。

1）受施工活動(dòng)影響，聲測(cè)管內(nèi)有時(shí)會(huì)混入雜質(zhì)導(dǎo)致管內(nèi)水變渾濁，這會(huì)明顯增大聲波衰減并延長(zhǎng)傳播時(shí)間，嚴(yán)重時(shí)甚至完全遮掩信號(hào)，從而影響樁身質(zhì)量的判斷。此外，當(dāng)渾濁的水沉淀后會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器探頭無(wú)法到達(dá)管底。因此，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開(kāi)始前應(yīng)徹底沖洗聲測(cè)管并保證管內(nèi)水體的清潔。

2）在工程實(shí)踐中，想要保證聲測(cè)管之間絕對(duì)平行是很困難的，如果聲測(cè)管的焊接、綁扎不牢固很容易發(fā)生傾斜、彎曲、翹曲。這將導(dǎo)致同一檢測(cè)剖面中各測(cè)點(diǎn)間的測(cè)距差異很大，致使某些測(cè)點(diǎn)的測(cè)量聲速顯著偏離實(shí)際值。但由于聲測(cè)管變形對(duì)聲速-深度曲線形態(tài)產(chǎn)生的影響是漸變的（或分段漸變），且影響范圍較大，因此，可以按曲線的大體趨勢(shì)將其劃分為若干段并進(jìn)行分段擬合，并且在合并后得到一條與實(shí)測(cè)曲線總體趨勢(shì)基本吻合的曲線方程。然后，基于樁頂管口間混凝土的實(shí)測(cè)聲速值，修正其他測(cè)點(diǎn)處的聲速值，從而得到測(cè)距修正后的聲速-深度曲線。

3）超聲波探頭在提升過(guò)程中，換能器與聲測(cè)管管壁間會(huì)不時(shí)發(fā)生碰撞，影響聲波穩(wěn)定，特別是在斜樁檢測(cè)中，由于聲測(cè)管沿鋼筋籠傾斜放置，其內(nèi)部碰撞發(fā)生的幾率會(huì)更高，具體體現(xiàn)為檢測(cè)得到的聲速-深度曲線中會(huì)出現(xiàn)眾多的聲速異常點(diǎn)。同樁身缺陷信號(hào)一樣，碰撞產(chǎn)生的異常信號(hào)對(duì)聲速-深度曲線形態(tài)的影響也是突變的。但碰撞信號(hào)的首波起跳點(diǎn)通常會(huì)較正常信號(hào)明顯縮短，而后部信號(hào)又歸于正常，因此可以此為依據(jù)將其移除。

4）當(dāng)超聲波探頭在提升過(guò)程中經(jīng)過(guò)聲測(cè)管接管位置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類似缺陷信號(hào)的反應(yīng)，因此為避免誤判缺陷必須在檢測(cè)開(kāi)始前了解聲測(cè)管的安裝細(xì)節(jié)。

5）實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，齡期很短的混凝土，其聲學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性較差，波幅不穩(wěn)定。因此，為避免誤判缺陷，工程測(cè)試應(yīng)在符合齡期或強(qiáng)度要求的條件下進(jìn)行。

2.3 樁身混凝土缺陷的綜合判定

如何準(zhǔn)確地利用試驗(yàn)過(guò)程中收集的各種聲學(xué)參數(shù)來(lái)確定混凝土缺陷的性質(zhì)和樁的完整性類別是聲波透射法檢測(cè)的最終目標(biāo)。聲速（或聲時(shí)）、波幅、主頻、波形等常用于判定混凝土缺陷的聲學(xué)參數(shù)各自具有優(yōu)勢(shì)，也各有缺點(diǎn)。在工程實(shí)踐中，既不能以聲速作為判定缺陷的唯一標(biāo)準(zhǔn)，也不能將各種聲學(xué)參數(shù)等同對(duì)待。混凝土是一種由多種介質(zhì)集結(jié)而成的彈塑性復(fù)合材料，聲速反映了混凝土材料的彈性性質(zhì)，而波幅則與混凝土的彈塑性相關(guān)[4]。因此，對(duì)樁身混凝土質(zhì)量的評(píng)判應(yīng)采用以聲速、波幅為主其他聲學(xué)參數(shù)為輔的綜合判定方法。

所謂綜合判定方法不止局限于后期的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，而是貫徹于檢測(cè)過(guò)程的始終，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程本身也包含了綜合分析的內(nèi)容（如2.2節(jié)中提到的管內(nèi)渾濁水的影響以及聲測(cè)管接管位置的判斷）。而在排除了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)因素及非缺陷因素的干擾后，即可通過(guò)聲速、波幅等參量確定樁身缺陷的部位，推斷缺陷類別。表2中列舉的是一些樁身混凝土的常見(jiàn)缺陷及其與聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。

但是，通過(guò)比較聲速和波幅的相對(duì)變化來(lái)確定缺陷的方法屬于相對(duì)比較測(cè)量法，因而缺陷的解釋并不唯一。為了更準(zhǔn)確地推斷和解釋缺陷的性質(zhì)并確定樁的完整性類別，還必須要以工程場(chǎng)地內(nèi)的勘察報(bào)告、灌注樁施工過(guò)程中的各項(xiàng)技術(shù)資料以及施工記錄為佐證。例如：通過(guò)了解灌注樁的成孔方式、樁周地層巖性、終孔后至澆筑前的時(shí)長(zhǎng)等資料可推斷缺陷是否可能為樁身夾泥；通過(guò)了解地下水文條件、地下水水位、混凝土的澆灌方式及澆灌記錄可推斷缺陷是否可能為離析；通過(guò)了解樁身澆灌過(guò)程中是否發(fā)生過(guò)異常中斷，可考慮缺陷是否可能是二次澆注面或斷樁等。

總之，了解檢測(cè)樁的施工工藝、施工過(guò)程并結(jié)合聲波透射法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析后，才能推定出缺陷的性質(zhì)。

表2 樁身混凝土的常見(jiàn)缺陷及其與聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系

3 工程實(shí)例分析

深圳某集裝箱碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，基樁樁型采用沖孔灌注樁，依據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)該碼頭全部基樁采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)儀器采用美國(guó)PDI公司生產(chǎn)的超聲波跨孔檢測(cè)儀（CHA），該儀器具備信號(hào)連續(xù)采集功能，可得到完整的樁身掃描圖。如圖2所示，各受檢樁內(nèi)均通長(zhǎng)布置了4根鋼制聲測(cè)管作為檢測(cè)通道，各管平均分布且相互平行的固定于鋼筋籠內(nèi)側(cè)，試驗(yàn)開(kāi)始前在管內(nèi)注滿清水作為耦合劑。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用平測(cè)法，兩兩聲測(cè)管一組，將發(fā)射與接收探頭分別下降至兩管底部，從樁底開(kāi)始同步提升并連續(xù)采集波形信號(hào)，在檢測(cè)過(guò)程中需經(jīng)常校核并調(diào)整兩探頭所處的高度[5]。

圖2 受檢樁聲測(cè)管布置示意

其中碼頭5#泊位J結(jié)構(gòu)段56號(hào)樁，樁型為水下沖孔灌注樁，樁長(zhǎng)37.81 m，樁身直徑Φ1 100 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C40。從現(xiàn)場(chǎng)各剖面的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，該樁在距離樁頂36 m附近位置全斷面存在聲測(cè)異常區(qū)，此位置各項(xiàng)聲測(cè)參數(shù)指標(biāo)均出現(xiàn)明顯異常，聲速、波幅降低，且波幅下降幅度更大?？紤]到缺陷所處位置的聲學(xué)參數(shù)特征并結(jié)合施工單位提供的地質(zhì)資料、成孔記錄、澆筑記錄及其他相關(guān)施工資料，初步判斷該樁缺陷類型為樁身夾泥，缺陷位置位于樁截面中心略靠近聲測(cè)管A管處。

為了驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果，施工單位在樁的預(yù)估缺陷位置處鉆芯。抽芯結(jié)果表明，預(yù)估缺陷位置的確發(fā)現(xiàn)了樁身存在夾泥現(xiàn)象（圖 3），聲波透射法得出的結(jié)論準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)與施工及建設(shè)單位多次商討研究后決定對(duì)樁身缺陷位置進(jìn)行高壓水旋噴切割，清渣和高壓注漿補(bǔ)強(qiáng)加固處理。注漿后又對(duì)該樁進(jìn)行了二次檢測(cè)，各異常檢測(cè)指標(biāo)的范圍和程度明顯減輕，復(fù)檢結(jié)果合格。

在本工程中，采用聲波透射法對(duì)沖孔灌注樁樁身進(jìn)行完整性檢測(cè)，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)了施工質(zhì)量問(wèn)題并及時(shí)采取有效措施排除了安全隱患，有效控制并保證了工程質(zhì)量。

圖3 基樁J-56抽芯照片

4 結(jié) 語(yǔ)

聲波透射法與其他工程中常用的樁身完整性測(cè)試方法相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）檢測(cè)細(xì)致，結(jié)果準(zhǔn)確可靠；

2）對(duì)缺陷靈敏度高且定位準(zhǔn)確；

3）可用于定量分析缺陷程度；

4）不受樁身長(zhǎng)度和樁徑大小的限制且可用于判定樁長(zhǎng)；

5）亦可應(yīng)用于斜樁的檢測(cè)；

6）在聲測(cè)管可布置達(dá)到的范圍內(nèi)不存在檢測(cè)盲區(qū)；

7）無(wú)需樁頂在地面以上也可檢測(cè)，便于施工；

8）可估算混凝土的強(qiáng)度。正因如此，雖然該方法需要在樁身混凝土澆筑之前預(yù)先埋設(shè)聲測(cè)管且成本較高，但仍在工程基樁的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文結(jié)合工程實(shí)踐，采用以聲速、波幅判據(jù)為主其他判據(jù)為輔的綜合判定方法評(píng)判基樁質(zhì)量，對(duì)有缺陷基樁的判定和補(bǔ)救做出了積極的貢獻(xiàn)，有效控制了工程質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)及時(shí)準(zhǔn)確的結(jié)果反饋，為工程施工方法的調(diào)整和優(yōu)化提供了參考，也為同類型工程提供了有益的借鑒。