聲波透射法基樁檢測(cè)中管斜修正方法研究應(yīng)用

（甘肅智通科技工程檢測(cè)咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

樁基礎(chǔ)憑借承載能力高、抗震性能好等優(yōu)越性越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到工程建設(shè)中，成為工程建設(shè)中重要的基礎(chǔ)形式之一。樁基礎(chǔ)在施工過(guò)程中受多種因素的影響，施工質(zhì)量控制難度大。樁基礎(chǔ)是一種隱蔽工程，深度上一般有數(shù)米至數(shù)十米，超長(zhǎng)樁更是上百米，往往樁身大部分分布在地面及地下水位以下，施工時(shí)許多工序在水面或泥漿面以下完成，不具備肉眼可視、人工近距離操作的條件，且施工工序繁多，質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)多，極易產(chǎn)生多種樁身缺陷，比如樁身斷裂、夾層、縮頸、擴(kuò)頸、混凝土離析、混凝土不密實(shí)、樁底沉渣等，因此，基樁的質(zhì)量檢測(cè)十分重要。

聲波透射法是目前基樁完整性檢測(cè)中使用最廣泛的方法之一，具有操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣、數(shù)據(jù)處理方便簡(jiǎn)捷、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在多種影響因素。本文就管斜影響因素及修正方法進(jìn)行探究。

1 管斜修正方法研究及應(yīng)用

1.1 聲測(cè)管的布設(shè)及影響因素

聲波透射法的主要原理是機(jī)械波在混凝土介質(zhì)中傳播經(jīng)各種聲學(xué)界面時(shí)發(fā)生反射、折射、繞射等現(xiàn)象，機(jī)械波的能量衰減，衰減的多少則與樁身混凝土的質(zhì)量相關(guān)。

利用聲波透射法檢測(cè)樁身完整性時(shí)，需提前在樁身混凝土中埋設(shè)聲測(cè)管作為聲波換能器進(jìn)入樁身內(nèi)部的通道，發(fā)射、接受換能器分別置于樁身內(nèi)相互平行聲測(cè)管的同一高度，由檢波器獲得經(jīng)混凝土傳播后的聲波信號(hào)可分析樁身的質(zhì)量好壞，聲測(cè)管的分布直接影響聲波信號(hào)所攜帶的聲學(xué)參數(shù)，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求聲測(cè)管宜采用金屬管，聲測(cè)管應(yīng)牢固焊接或綁扎在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，且互相平行、定位準(zhǔn)確，并埋設(shè)至樁底，管口宜高出樁頂面300mm以上[1]。

在樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中，聲測(cè)管的布設(shè)受到多種因素的影響，很難保證聲測(cè)管豎向平行布設(shè)，主要有聲測(cè)管自身剛度不足，混凝土灌注過(guò)程中承受壓力太大時(shí)發(fā)生彈性變形，接頭處理不當(dāng)導(dǎo)致相鄰兩段聲測(cè)管不能順直連接，鋼筋籠分段吊裝施工時(shí)聲測(cè)管伴隨鋼筋籠發(fā)生形變，聲測(cè)管沒(méi)有綁扎固定而脫離鋼筋籠縱向主筋發(fā)生形變等多種原因，這些原因大多在工程實(shí)踐中難以避免。

1.2 管斜的影響

在灌注樁的聲波檢測(cè)中，聲測(cè)管管斜對(duì)基樁檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響主要體現(xiàn)在聲速實(shí)測(cè)值上。在任意測(cè)點(diǎn)i的聲速實(shí)測(cè)值vTi是由該測(cè)點(diǎn)發(fā)射和接受換能器之間的距離li和聲波在發(fā)射接收換能器之間的傳播時(shí)間ti計(jì)算確定，即：

在實(shí)際檢測(cè)中，并不能實(shí)際測(cè)量獲取，只能測(cè)量樁頂處兩聲測(cè)管外壁間的距離l0，并用來(lái)計(jì)算i測(cè)點(diǎn)的聲速，表示為vi，即：

因此vi和vn之間存在如下關(guān)系：

當(dāng)同一檢測(cè)剖面的兩聲測(cè)管定位準(zhǔn)確且保持平行時(shí)，即任意測(cè)點(diǎn)的聲測(cè)管外壁間間距相同,則有vi=vTi。

在實(shí)際工程施工過(guò)程中，聲測(cè)管發(fā)生管斜所影響的同一檢測(cè)剖面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)距在不同高度并不等于樁頂量測(cè)的管距，即vi≠vTi，計(jì)算獲得i測(cè)點(diǎn)的聲速并不代表i測(cè)點(diǎn)的實(shí)際聲速。

聲速是分析樁身質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，在《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)聲速的分析判斷基于概率法，剖面聲速異常判斷概率統(tǒng)計(jì)時(shí)采用“單邊剔除法”，通過(guò)混凝土聲速的低限值和混凝土試件的聲速平均值對(duì)概率法判據(jù)值作合理限定，以得到該剖面的聲速異常判斷值，沒(méi)有缺陷的樁身混凝土聲速檢測(cè)值經(jīng)統(tǒng)計(jì)符合正態(tài)分布，而有缺陷部分的樁身混凝土聲速檢測(cè)值會(huì)低于甚至嚴(yán)重低于聲速平均值，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)聲速檢測(cè)值不符合正態(tài)分布。規(guī)范明確要求必須采用正?；炷恋穆曀倨骄导皹?biāo)準(zhǔn)差來(lái)計(jì)算臨界值，需要對(duì)聲速檢測(cè)值中的異常小值進(jìn)行剔除，否則將影響聲速平均值的計(jì)算，具體表現(xiàn)為異常小值越多，聲速平均值越小，聲速臨界值也越小，容易造成漏判。在聲測(cè)管管斜時(shí)，基于此方法計(jì)算所得的臨界值將發(fā)生一定偏離，影響基樁完整性檢測(cè)結(jié)果分析。

1.3 管斜修正原理

在樁身不同位置聲測(cè)管管斜對(duì)曲線v（z）的影響和樁身混凝土質(zhì)量造成vTi波動(dòng)對(duì)曲線v（z）的影響是有差別的。

用與深度z相關(guān)的函數(shù)表示樁身混凝土實(shí)測(cè)聲速、計(jì)算聲速及兩聲測(cè)管外壁之間間距的關(guān)系：

當(dāng)聲測(cè)管傾斜時(shí)，由于自身存在一定剛度，不會(huì)發(fā)生大角度彎曲變形，深度上相鄰兩測(cè)點(diǎn)聲測(cè)管外壁之間間距變化不會(huì)很大，表現(xiàn)在v（z）曲線上是一個(gè)緩變的光滑曲線，即是可導(dǎo)函數(shù)，并且這種影響在一定深度范圍內(nèi)表現(xiàn)為同一趨勢(shì)，即波速連續(xù)增大或連續(xù)減??；當(dāng)樁身混凝土存在明顯缺陷時(shí)，缺陷邊緣處不存在，v（z）曲線會(huì)發(fā)生突變和明顯偏離平均波速的變化趨勢(shì)，且對(duì)應(yīng)的波幅會(huì)明顯降低，由此區(qū)分是聲測(cè)管彎曲還是樁身混凝土缺陷。

圖1 斜管修正原理示意圖

1.4 管斜修正方法

1）在v（z）曲線上，曲線平直且聲速在平均值上下波動(dòng)的部分為聲測(cè)管沒(méi)有傾斜部分，不用修正，選取v（z）發(fā)生明顯彎曲傾斜的部分，并以轉(zhuǎn)折點(diǎn)為分界點(diǎn)將曲線分為若干段。

2）對(duì)每段v（z）曲線，求一擬合曲線f（z）與實(shí)測(cè)v（z）曲線的變化趨勢(shì)和形態(tài)基本吻合，使得:

則深度Z測(cè)點(diǎn)處聲測(cè)管間距可修正為:

經(jīng)測(cè)距修正后的各測(cè)點(diǎn)聲速可表示為:

3）繪制經(jīng)過(guò)管斜修正后的v'（z）曲線，需要注意的是在求最佳擬合曲線時(shí)對(duì)明顯偏離v（z）曲線的測(cè)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行剔除。

1.5 管斜v修正應(yīng)用實(shí)例

某橋梁工程采用鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)12.0m，樁徑1800mm,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，預(yù)埋4 根聲測(cè)管，其中1-4剖面在樁頂量測(cè)的聲測(cè)管距為1050mm，實(shí)測(cè)聲速-深度曲線如圖2（a）所示，從曲線可見(jiàn)，曲線以6.0m處為轉(zhuǎn)折點(diǎn)向右傾斜，即波速呈逐漸增大趨勢(shì)，樁頂測(cè)點(diǎn)聲速4.375km/s，樁底測(cè)點(diǎn)聲速6.140km/s，嚴(yán)重偏離C30混凝土的正常波速取值，因此須對(duì)該剖面進(jìn)行管斜修正，否則聲速平均值、臨界值指標(biāo)對(duì)判斷樁身完整性將失去實(shí)際意義。

根據(jù)上述方法，選取擬合直線方程f（z）對(duì)深度6.0m以下聲速進(jìn)行管斜修正:

6.0m以下測(cè)點(diǎn)修正后聲測(cè)管距及聲速重新計(jì)算:

修正后的聲速-深度曲線如圖2（b）所示。

由管斜修正前后聲速-深度曲線及表1管斜修正前后聲速對(duì)比可知，管斜修正前，聲速在不同深度段發(fā)生較大程度變化，且9.6～10.0m范圍測(cè)點(diǎn)波速相對(duì)偏低但仍大于臨界值，波幅明顯下降，這是由于聲測(cè)管傾斜造成的聲參量偏離真實(shí)值的影響。經(jīng)管斜修正后，樁底測(cè)點(diǎn)聲速為4.412km/s，回歸C30混凝土聲速正常取值范圍，9.6～10.0m范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)聲速低于臨界值，結(jié)合該范圍測(cè)點(diǎn)波幅明顯降低可確定該處存在樁身缺陷。

表1 修正前后聲速對(duì)比

由此可見(jiàn)，如不對(duì)聲測(cè)管傾斜仔細(xì)甄別并進(jìn)行合理修正，可能對(duì)樁身完整性缺陷造成漏判。

圖2 管斜修正實(shí)例

2 結(jié)語(yǔ)

基樁檢測(cè)受檢測(cè)儀器設(shè)備性能、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件和人員檢測(cè)水平等多方面的影響[2]，聲波透射法具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也具有一定的局限性，聲測(cè)管管斜不平行在基樁施工中難以避免。本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了探究并提出了修正方法，并將此方法應(yīng)用在工程樁實(shí)際檢測(cè)中，對(duì)修正前后的波速實(shí)測(cè)值、臨界值等進(jìn)行比對(duì)分析可知，修正公式和修正方法可以有效消除管斜對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響，為樁基完整性檢測(cè)工作提供幫助，避免誤判和漏判。