基于超聲波透射法的大直徑樁基缺陷檢測(cè)研究

向子明

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

橋梁樁基礎(chǔ)施工中，受施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、施工工藝和施工機(jī)具等因素影響，樁身易出現(xiàn)各種缺陷，影響結(jié)構(gòu)的安全和使用。樁基完整性檢測(cè)方法主要有高應(yīng)變法、低應(yīng)變法、鉆芯法和超聲波透射法等。對(duì)于樁長(zhǎng)較大的樁基，高、低應(yīng)變法因能量的損耗和擴(kuò)散等原因，通常無法得到較理想的結(jié)果。利用低應(yīng)變法對(duì)大樁徑樁基進(jìn)行檢測(cè)，因檢測(cè)所用錘的重量有限，無法滿足樁頂處較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的荷載作用需求，使聲波無法達(dá)到樁底處充分發(fā)揮土阻力所需的位移量。鉆芯法是有損檢測(cè)，可能會(huì)對(duì)樁基砼造成局部損傷。超聲波透射法屬于無損檢測(cè)，也不會(huì)受到樁長(zhǎng)、樁徑的影響。該文結(jié)合工程實(shí)踐，研究基于超聲波透射法的橋梁大直徑樁基礎(chǔ)缺陷檢測(cè)技術(shù)。

1 超聲波透射法的原理

超聲波透射法通過換能器之間發(fā)射并接收超聲波脈沖，由于超聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)聲速、聲幅等性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，據(jù)此判斷樁身是否存在缺陷并辨別缺陷類別。實(shí)際操作中需在樁基砼澆筑前在樁內(nèi)部預(yù)埋一定數(shù)量的聲測(cè)管作為檢測(cè)通道，并在管內(nèi)注滿清水作為耦合劑。再將換能器分別置于聲測(cè)管底部或頂部，在同一高度同步、勻速移動(dòng)。根據(jù)所得超聲波脈沖的聲幅、聲速、頻率、時(shí)程等對(duì)樁基進(jìn)行綜合判定(見圖1)。

圖1 樁基超聲波透射法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

2 超聲波透射法確定樁基缺陷的方法

超聲波透射法的基本判斷依據(jù)為聲速、聲幅和波形PSD，根據(jù)3種判據(jù)形成3種判別樁基缺陷形式的方法。

(1) 概率法。該方法主要利用檢測(cè)所得聲速、波幅值繪制聲速-深度、波幅-深度曲線，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法確定聲速的臨界值。計(jì)算公式如下：

v0=vm-λ·sx

(1)

(2)

(3)

式中：v0為臨界點(diǎn)聲速值；vm為n-k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值；λ見表1；sx為n-k個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)；k為將全部測(cè)點(diǎn)的聲速值由小到大依次排列，去掉明顯不合理的低聲速值后的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n-k與對(duì)應(yīng)的λ值

(2) 半波幅法。該方法結(jié)合波幅-聲速曲線，利用聲幅值大小判別有無缺陷。林唯正教授經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，提出聲波下降至一半是確定砼有無缺陷的臨界值。公式如下：

APi

(4)

(5)

式中：APi為聲幅判定異常值；Am為所有測(cè)點(diǎn)波幅的平均值。

(3) 斜率法，又稱PSD法。該方法由吳慧敏教授提出，用于針對(duì)實(shí)際施工中可能存在的聲測(cè)管不平行而出現(xiàn)誤判的情況。PSD實(shí)際為聲時(shí)-深度曲線中異常處曲線的斜率和時(shí)間差的乘積，即：

(6)

3 樁基缺陷位置的定性確定

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常值是判定樁基缺陷的依據(jù)，樁基缺陷位置的確定與聲測(cè)管數(shù)量及布置有一定關(guān)系。

3.1 聲測(cè)管埋設(shè)數(shù)量

樁基所需聲測(cè)管數(shù)量與樁徑的關(guān)系為：

(1) 根據(jù)JGJ/T 106-2003《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，樁徑800 mm以下(含800 mm)埋設(shè)2根聲測(cè)管，樁徑800～2 000 mm埋設(shè)3根聲測(cè)管，樁徑2 000 mm以上埋設(shè)4根聲測(cè)管。

(2) 根據(jù)JTG/T F81-01-2004《公路工程樁基動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，樁徑1 000 mm以下埋設(shè)2根聲測(cè)管，樁徑1 000～1 500 mm埋設(shè)3根聲測(cè)管，樁徑1 500 mm以上埋設(shè)4根聲測(cè)管(見圖2)。

圖2 聲測(cè)管布置示意圖(單位：根)

3.2 波幅參量確定缺陷位置

引入有效接收聲場(chǎng)的概念。對(duì)于發(fā)射換能器，假設(shè)被測(cè)介質(zhì)為均勻體，發(fā)射換能器的聲場(chǎng)可視為以換能器為中心的半球面或球面(圖3中以O(shè)點(diǎn)為中心)，同理接收換能器的接收靈敏度指向性也能看作是以換能器為中心的同心圓(圖3中以O(shè)′為中心)，O、O′點(diǎn)的同心圓相交點(diǎn)的連線便為接收換能器的有效接收聲場(chǎng)。各相交點(diǎn)連線滿足橢圓公式：

圖3 有效接收聲場(chǎng)示意圖

(7)

式中：a、b分別為以O(shè)、O′為焦點(diǎn)的橢圓的長(zhǎng)半軸及短半軸。

當(dāng)發(fā)射換能器和接收換能器處于某同一高度時(shí)，缺陷位置與有效接收聲場(chǎng)可能有3種情況：處于OO’連線上(圖4中C處)時(shí)，波幅明顯降低，聲時(shí)增長(zhǎng)；處于圖4中B處時(shí)，聲幅有所降低，聲時(shí)不變；處于有效接收聲場(chǎng)之外(圖4中的A點(diǎn))時(shí)，聲幅和聲時(shí)均不發(fā)生變化。

圖4 缺陷可能存在的不同位置

根據(jù)有效接收聲場(chǎng)的原理，可通過聲幅參量判斷樁基缺陷的具體位置。圖5為四川峨漢(峨眉—漢源)高速公路項(xiàng)目某樁基的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從中可見，1-2、2-3剖面在7.2 m處聲幅明顯下降，判斷該范圍內(nèi)存在缺陷。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 樁基完整性分類

根據(jù)各聲學(xué)參量判別樁基缺陷，需對(duì)樁基的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。JGJ/T 106-2003《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中樁身完整性分類見表2。

表2 樁身完整性分類

各剖面的聲波分析結(jié)果通過聲速、聲幅、頻率隨深度的變化及現(xiàn)場(chǎng)采集波形的畸形程度綜合評(píng)定(見表3)。

表3 樁身剖面的聲波分析

超聲波透射法和其他物理檢測(cè)方法一樣存在多解性，僅憑聲速、聲幅等參量無法判斷樁基缺陷類型，還應(yīng)結(jié)合工地現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)情況、施工工藝、樁基澆筑環(huán)境及砼灌注記錄等綜合判斷。

4 實(shí)例分析

以四川峨漢高速公路上橋梁工程為例，闡述各種樁基缺陷性質(zhì)的辨別和確定。

4.1 完整工程樁的檢測(cè)實(shí)例

根據(jù)JGJ/T 106-2003《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，檢測(cè)數(shù)據(jù)中各檢測(cè)剖面的聲學(xué)參數(shù)均無異常，無聲速低于低限值異?；蚰骋粰z測(cè)剖面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常，無聲速低于低限值異常的情況下，該樁基從整體評(píng)價(jià)可判定為完整樁。

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)21.8 m，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)21.8 m，樁身埋設(shè)3根聲測(cè)管，呈等邊三角形分布。每個(gè)測(cè)面每隔500 mm進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，聲測(cè)管編號(hào)以正北方向順時(shí)針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為880、920、1 120 mm。其超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果見圖6。

圖6 21.8 m完整樁實(shí)例

由圖6可知：該樁3個(gè)聲測(cè)剖面的聲速曲線均沒有超過聲速值臨界點(diǎn)。深度8.1 m以下，1-2剖面中聲速逐漸增大，2-3剖面中聲速逐漸降低；到13.2 m左右時(shí)，1-2剖面中聲速開始逐漸降低，2-3剖面中聲速開始逐漸增大，該區(qū)段內(nèi)1-3剖面聲速?zèng)]有發(fā)生明顯變化，說明2號(hào)聲測(cè)管有朝向1號(hào)聲測(cè)管與2號(hào)聲測(cè)管連線的外側(cè)傾斜的現(xiàn)象，從8.1 m 處向里漸彎，到13.2 m處向外漸彎。從波幅曲線分析，1-2剖面20.2 m處、2-3剖面13.3 m處波幅存在異常并超出臨界值，判斷該處可能存在砼交接不良或有少量沉渣。從整體上評(píng)價(jià)，該樁可判定為完整樁。

4.2 樁底存在沉渣的檢測(cè)實(shí)例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)35 m，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)35 m，樁身埋設(shè)3根聲測(cè)管，呈等邊三角形分布。每個(gè)測(cè)面每隔500 mm進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，聲測(cè)管編號(hào)以正北方向順時(shí)針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為890、1 080、1 050 mm。其超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果見圖7。

圖7 35 m存在低強(qiáng)度區(qū)和沉渣的樁基實(shí)例

由圖7可知：在沉渣部位，3個(gè)聲測(cè)剖面的聲速值和聲幅值均超過臨界點(diǎn)。要求施工方對(duì)各聲測(cè)管內(nèi)可能存在的泥漿砂土通水清理后進(jìn)行復(fù)測(cè)，結(jié)果仍沒有變化。因此，判定該樁樁底存在0.8 m左右沉渣。

4.3 樁頂?shù)蛷?qiáng)度區(qū)的檢測(cè)實(shí)例

由圖7可知：該樁除存在樁底沉渣外，樁身部分完整。但樁頂部分存在波幅值超過臨界點(diǎn)、聲速值無異常的現(xiàn)象。受長(zhǎng)期陰雨的影響，工地現(xiàn)場(chǎng)泥濘，作業(yè)環(huán)境很差，且調(diào)查得知該樁澆筑時(shí)并未為之后破除樁頭留下足夠樁長(zhǎng)。因此，判斷樁頂砼不完整，存在部分浮漿、沉渣、砼混合物，為樁頂?shù)蛷?qiáng)度區(qū)。

4.4 樁身存在夾泥缺陷樁檢測(cè)實(shí)例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)31.9 m，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)31.9 m，樁身埋設(shè)3根聲測(cè)管，呈等邊三角形分布。每個(gè)測(cè)面每隔500 mm進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，聲測(cè)管編號(hào)以正北方向順時(shí)針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為1 000、9 600、1 010 mm。其超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果見圖8。

圖8 31.9 m樁身存在夾泥缺陷的樁基實(shí)例

由圖8可知：1-2剖面8.5 m左右聲速、波幅異常。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況、成孔方式、砼澆灌記錄等進(jìn)行調(diào)查，得知在砼澆筑過程中曾出現(xiàn)過泥漿護(hù)壁坍塌的情況。因此，判斷該處可能存在夾泥缺陷。

4.5 樁身存在離析缺陷的檢測(cè)實(shí)例

某鉆孔灌注樁，樁徑2 200 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)40 m，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)40 m，樁身埋設(shè)4根聲測(cè)管，呈正方形分布。每個(gè)測(cè)面每隔500 mm進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，聲測(cè)管編號(hào)以正北方向順時(shí)針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3、1-4、2-4、3-4距離分別為1 400、1 900、1 400、1 400、2 000、1 300 mm。其超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果見圖9、圖10。

由圖9、圖10可知：1-3、2-3、2-4、3-4剖面在27.5 m左右的聲參量出現(xiàn)異常，聲速值和聲幅值均超過臨界值。結(jié)合施工實(shí)際情況及地質(zhì)情況，得知該樁臨近河流，成孔期間曾遇到汛期，出現(xiàn)過坍塌現(xiàn)象，雖在澆筑前得到及時(shí)清理，但該處土質(zhì)含水量較高。因此，判斷該處可能存在離析缺陷。

圖9 40 m樁身存在離析缺陷的樁基實(shí)例(1)

圖10 40 m樁身存在離析缺陷的樁基實(shí)例(2)

4.6 斷樁的檢測(cè)實(shí)例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)27 m，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)27 m，樁身埋設(shè)3根聲測(cè)管，呈等邊三角形分布。每個(gè)測(cè)面每隔500 mm進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，聲測(cè)管編號(hào)以正北方向順時(shí)針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離均為1 000 mm。其超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果見圖11。由圖11可知：3個(gè)聲測(cè)剖面在22.3 m左右的聲速、波幅異常，均超過臨界值。經(jīng)過復(fù)測(cè)后檢測(cè)結(jié)果依舊如此。結(jié)合地質(zhì)狀況、成孔方式、砼澆灌記錄及現(xiàn)場(chǎng)情況，判斷該處可能存在斷樁現(xiàn)象。

圖11 27 m樁身存在斷樁缺陷的樁基實(shí)例

某鉆孔灌注樁，樁徑1 500 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)50 m，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)50 m，樁身埋設(shè)3根聲測(cè)管，呈等邊三角形分布。每個(gè)測(cè)面每隔500 mm進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，聲測(cè)管編號(hào)以正北方向順時(shí)針開始第一根管記為1，1-2、1-3、2-3距離分別為1 100、1 050、1 020 mm。其超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果見圖12。由圖12可知：在30 m左右位置3個(gè)聲測(cè)面的聲參數(shù)均出現(xiàn)異常。考慮到當(dāng)時(shí)因汛期原因?qū)е聶z測(cè)環(huán)境惡劣，在施工方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理并重新在聲測(cè)管內(nèi)注滿清水后再進(jìn)行復(fù)測(cè)，結(jié)果見圖13。由圖13可知：原缺陷部位聲參數(shù)均正常，考慮到復(fù)測(cè)前現(xiàn)場(chǎng)降水量較大，等汛期過后對(duì)該樁進(jìn)行第三次檢測(cè)。第三次檢測(cè)結(jié)果與第一次的結(jié)果一致，推斷該樁在30 m左右位置存在斷樁缺陷。第二次檢測(cè)結(jié)果時(shí)因大量降水使斷樁部位有水充填，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況大相徑庭。

圖12 50 m樁身存在斷樁缺陷的樁基實(shí)例(1)

圖13 50 m樁身存在斷樁缺陷的樁基實(shí)例(2)

5 結(jié)語(yǔ)

引入有效接收聲場(chǎng)的概念，在實(shí)際工程中利用超聲波透射法對(duì)橋梁樁基進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)情況、施工工藝、樁基澆筑環(huán)境及砼灌注記錄等綜合判斷樁身的完整性。工程實(shí)例檢測(cè)結(jié)果表明，針對(duì)樁徑大、深度大的橋梁樁基完整性檢測(cè)，超聲波透射法相較于其他方法具有一定優(yōu)越性，對(duì)樁基檢測(cè)能起到指導(dǎo)作用。