聲波透射法在蒙華鐵路基樁檢測中的應(yīng)用分析

張 娜 胡朝彬 李廣元 高承成 齊旭鋒

(1.天津華勘基礎(chǔ)工程檢測有限公司，天津 300170； 2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170)

0 引言

橋梁在鐵路建設(shè)中廣泛使用，而橋梁基礎(chǔ)大都采用鉆孔灌注樁。在已經(jīng)開通運營的京滬鐵路、津保鐵路中，鉆孔灌注樁所占的比重達到80%以上。樁基作為橋梁下部結(jié)構(gòu)，主要為上部結(jié)構(gòu)提供承載力，防止橋梁產(chǎn)生不均勻沉降。鐵路橋梁基礎(chǔ)下的鉆孔灌注樁在施工過程中清孔不干凈、孔壁坍塌、澆筑混凝土不當，都會造成樁基質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致承載力下降。如何對樁基完整性進行辨別，采取補救措施，保證樁基的質(zhì)量，能有效的防止安全事故發(fā)生。低應(yīng)變法能快速有效的對樁基完整性進行辨別，但對檢測人員經(jīng)驗水平要求較高，對大長直徑的樁基無法實現(xiàn)檢測。聲波透射法通過在樁身埋設(shè)聲測管發(fā)射與接收超聲波進行完整性檢測，這種提前埋設(shè)聲測管的方法在大長直徑灌注樁中經(jīng)常被采用。鉆芯法采用鉆機鉆取芯樣，也可以檢測樁身缺陷，但費用高，時間長，一般較少采用，經(jīng)常作為聲波透射法檢測的補充檢測及驗證手段。超聲波作為機械振動波，它具有透射性、反射性以及繞射性等特點，通過超聲波的波速和波幅變化情況及超聲波信號的頻率—波幅曲線在頻域的變化特點，展開對超聲波實測信號的分析研判，對樁基施工質(zhì)量的控制具有重要的指導(dǎo)意義。

1 超聲透射法測試原理

聲波透射法檢測需要預(yù)先將2-4聲測管固定于鋼筋籠上，在成樁過程中澆筑于樁體中。適用于樁徑大于0.6 m鉆孔灌注樁，聲波透射法檢測依據(jù)是：當儀器換能器發(fā)射一定頻率脈沖波在完整混凝土中傳播時，其內(nèi)部的傳播速度、首波幅度和接收信號主頻等聲學(xué)參數(shù)，一般無明顯的差異與變化。若一旦在混凝土樁中存在缺陷，如離析、空洞、不密實以及裂縫等，將影響混凝土整體的完整性，當聲波穿過時會造成聲波在缺陷部位發(fā)生反射、折射或散射等，與完整部位相比將發(fā)生聲時的變化，同時波幅和頻率值都降低，產(chǎn)生波列的雜亂，波形相互疊加，發(fā)生無規(guī)律的畸變。利用上述原理，可以通過聲波在混凝土構(gòu)件中傳播所得到的聲學(xué)參數(shù)測量值和相對變化量，進行綜合分析對比，判別其施工質(zhì)量、樁身缺陷的程度并確定其位置。

2 現(xiàn)場檢測準備工作及步驟

1)確保樁頂外漏的聲測管在同一水平面上，在樁頂測量聲測管外壁之間的凈距離。保證聲測管內(nèi)注滿清水。

2)將發(fā)射換能器和接收換能器分別通過導(dǎo)線輪置于兩根聲測管中，查看線上刻度標志，是否同設(shè)計樁長一致，發(fā)射換能器、接收換能器保持相同深度。

3)發(fā)射換能器與接收換能器同步從樁底向上提升。提升過程中，應(yīng)校核換能器的深度和校正換能器的高差，并確保測試波形的穩(wěn)定性，提升速度不宜大于0.5 m/s。

4)應(yīng)實時顯示、記錄每條聲測線的信號時程曲線，并讀取首波聲時、幅值；當需要采用信號主頻值作為異常聲測線輔助判據(jù)時，尚應(yīng)讀取信號的主頻值；保存檢測數(shù)據(jù)的同時，應(yīng)保存波列圖信息。

5)同一檢測剖面的聲測線間距、聲波發(fā)射電壓和儀器設(shè)置參數(shù)應(yīng)保持不變。在樁身質(zhì)量可疑的聲測線附近，應(yīng)采用增加聲測線或采用扇形掃測、交叉斜測、CT影像技術(shù)等方式，進行復(fù)測和加密測試，確定缺陷的位置和空間分布范圍(見圖1)。

3 工程實例及分析

1)蒙華鐵路河南段某工地橋樁的4號、5號鉆孔灌注樁(端承樁)，設(shè)計混凝土抗壓強度為C35，樁長12 m,樁徑2 000 mm，4號樁、5號樁屬于同一個承臺，樁端持力層為弱分化石英片巖大理巖。樁身預(yù)埋3根聲測管，其低應(yīng)變曲線及聲波實測(聲時、波幅、PSD)曲線如圖2，圖3所示。

從圖2的聲測圖中可看出，4號樁8.5 m～12 m范圍內(nèi)聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，初步判斷混凝土離析。從低應(yīng)變反射波曲線看，樁為人工挖孔灌注樁，曲線受地層影響不大，且人工挖孔灌注樁在施工過程中，樁端清孔應(yīng)該很干凈，而樁端持力層為弱分化石英片巖大理巖，混凝土巖性同樁端持力層差不多，樁底反射明顯，說明樁端有部分沉渣。從低應(yīng)變反射波曲線初步判斷此樁亦為三類樁性狀。經(jīng)過抽芯驗證結(jié)果表明：4號樁8.5 m～12 m范圍內(nèi)嚴重離析。經(jīng)檢查施工記錄，成孔過程沒有異常，但是在澆筑成樁過程中，由于施工人員所下導(dǎo)管不夠長，導(dǎo)管上提過程不規(guī)范，造成了下部混凝土離析。

從圖3的聲測圖中可看出，5號樁11 m～12 m范圍內(nèi)聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，與4號樁情況類似初步判斷樁底附近混凝土離析，低應(yīng)變反射波反應(yīng)在10 m左右出現(xiàn)強烈的樁底反射，顯示此樁偏短。經(jīng)過抽芯驗證結(jié)果表明：5號樁11 m～12 m范圍內(nèi)嚴重離析，經(jīng)檢查施工記錄，也是由于施工時導(dǎo)管不夠長且導(dǎo)管上提速度過快，導(dǎo)致混凝土離析。

從上面兩個實例分析，聲波透射法檢測到缺陷位置處的聲波波速和波幅曲線發(fā)生明顯的劇烈衰減，三類樁性狀均非常明顯。通過鉆孔抽芯驗證樁端均為松散介質(zhì)，樁身聲速很低，因為是人工挖孔樁，一般不存在樁底沉渣問題，那么在樁底出現(xiàn)這種情況多屬混凝土離析造成。

2)蒙華鐵路河南段某工地橋樁的1號鉆孔灌注樁(摩擦樁)，設(shè)計混凝土抗壓強度為C40，樁長為30 m,樁徑為1 000 mm,樁身預(yù)埋3根聲測管，其低應(yīng)變曲線及聲波實測(聲時、波幅、PSD)曲線如圖4所示。

從圖4聲測圖中可看出，1號樁3.4 m～4.4 m范圍內(nèi)聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，初步判定為離析或夾泥。從低應(yīng)變反射波曲線看在4.0 m左右縮徑或夾泥，初步分析此樁亦為三類樁性狀。由于缺陷不太深，經(jīng)過開挖驗證，結(jié)果表明1號樁3.4 m～4.4 m范圍內(nèi)嚴重夾泥。經(jīng)查看施工記錄，發(fā)現(xiàn)混凝土灌注過程不連續(xù)，時間間隔長達4 h，導(dǎo)致灌注交界面處的厚重泥漿沉積，再次灌注時夾裹在其中，造成嚴重的夾泥缺陷。

3)蒙華鐵路河南段某工地的8號鉆孔灌注樁(摩擦樁)，設(shè)計混凝土抗壓強度為C40，樁長為23 m,樁徑為1 000 mm,樁身預(yù)埋3根聲測管，其低應(yīng)變曲線及聲波實測(聲時、波幅、PSD)曲線如圖5所示。

從圖5聲測圖中可看出，8號樁6.1 m～7.5 m范圍內(nèi)聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，初步判定為夾雜或離析缺陷。從低應(yīng)變反射波曲線看在6 m左右縮徑或夾泥，初步分析此樁亦為三類樁性狀。經(jīng)過抽芯驗證結(jié)果表明：8號樁6.1 mm～7.5 mm范圍內(nèi)嚴重夾砂，經(jīng)查閱地勘資料，本段地層為細砂層，成樁過程有塌孔情況。

取芯驗證圖見圖6。

從上面三個驗證實例進一步分析總結(jié)，當混凝土澆筑過程中導(dǎo)管不足長或?qū)Ч芴嵘划斠自斐蓸兜纂x析或夾泥；當混凝土澆筑過程中時間間隔過長，易造成混凝土交界面的夾泥缺陷；非人工挖孔樁類的鉆孔樁，在澆筑成樁過程中突發(fā)的塌孔易造成夾泥夾砂等缺陷。若缺陷在樁頂附近，其以上部位應(yīng)進行截樁處理；若缺陷較深，缺陷處聲波的聲速和振幅均突變明顯，應(yīng)對缺陷進行加固處理。

4 結(jié)語

通過應(yīng)用聲波透射法技術(shù)對蒙華鐵路不同標段的基樁完整性檢測分析，該方法能準確的找出部分缺陷樁的缺陷位置，判斷缺陷的嚴重程度，結(jié)合地勘資料及施工記錄可大致判斷缺陷的類型。對發(fā)現(xiàn)的缺陷，通過鉆芯法或開挖法進行了驗證，證明聲波透射法準確度高、檢測結(jié)果能直觀反映樁身各個部位混凝土的均勻性。聲波透射法還具有從上而下逐點掃描整樁全斷面的優(yōu)點，不易漏檢樁身缺陷。

針對基樁施工過程隱蔽性高，施工質(zhì)量難以有效控制的特點，通過聲波透射法對鉆孔灌注樁質(zhì)量的檢測，分析了施工過程中造成的不同樁身缺陷，及時指導(dǎo)了鉆孔灌注樁的施工，使其質(zhì)量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，對保障鐵路橋梁的安全性與穩(wěn)定性意義深遠。