聲波透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

吳紫盛

（福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，福建 福州 350001）

在建筑工程施工中，受地質(zhì)條件、施工技術(shù)和施工管理等因素影響，樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量存在一定的不確定性，要求建筑施工單位完成樁基礎(chǔ)施工后進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，以保證建筑樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量滿足相關(guān)要求。常見的樁基檢測(cè)技術(shù)包括鉆孔取芯法、超聲波檢測(cè)法、低應(yīng)變反射波法等。其中，鉆孔取芯法需要破壞樁基原有結(jié)構(gòu)，且檢測(cè)效率較低。低應(yīng)變反射法與超聲波透射法原理基本一致，但低應(yīng)變反射法采用的是幾百赫茲的低頻聲波脈沖，不能測(cè)定樁長和混凝土強(qiáng)度，只能測(cè)定大致位置出現(xiàn)阻抗變化截面。而超聲波透射法聲波主頻高達(dá)3 050Hz，能夠測(cè)定樁身各深度截面混凝土波速情況，以此確定不同深度混凝土強(qiáng)度。結(jié)合不同樁基檢測(cè)方法特點(diǎn)，選擇合理、科學(xué)、準(zhǔn)確的樁基檢測(cè)技術(shù)尤為關(guān)鍵。本文結(jié)合翡利公館建筑工程項(xiàng)目，深入探究超聲波探測(cè)技術(shù)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用，以期為建筑工程施工和驗(yàn)收提供有益的參考。

1 超聲波透射檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)是一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，即檢測(cè)過程中不會(huì)破壞被測(cè)物體原結(jié)構(gòu)完整性。超聲波透射法通過在樁施工中預(yù)埋聲測(cè)管，借助換能器發(fā)射固定頻率的超聲波，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使超聲波能量沿豎向方向穿透混凝土樁，換能器接收到超聲波后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并在檢測(cè)儀上顯示波速、波幅（如圖1），以此作為混凝土樁身缺陷判斷依據(jù)。

由于超聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性，超聲波傳播速度、波形變化與樁身混凝土介質(zhì)密實(shí)度有關(guān)，如超聲波波形、波幅變化較小，則表明混凝土樁身密實(shí)；反之，則表明混凝土樁身密實(shí)度較差；如出現(xiàn)畸變波峰，則表明樁身存在夾層、孔洞、縫隙等情況。

圖1 超聲波透射法檢測(cè)示意圖

2 工程概況

本工程為福州翡利公館1#、3#、5#樓，工程地上部分20層，地下2層，主體為框架剪力墻結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力管樁、沖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，Ф900樁徑樁164根，樁基持力層為卵石層，樁長設(shè)計(jì)深度為50m。本工程中，根據(jù)工程檢查計(jì)劃，抽檢樁數(shù)量為17根，檢出率為10.36%。

3 超聲波透射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 聲測(cè)管材料與尺寸

聲測(cè)管是超聲波透射的徑向換能通道，安裝在樁基礎(chǔ)內(nèi)部，在埋設(shè)過程中易受到混凝土澆筑影響而產(chǎn)生變形、位移等問題。聲測(cè)管材質(zhì)以金屬波紋管和塑料管最為常見，而塑料管自身溫度系數(shù)與混凝土存在較大的差異，在樁基礎(chǔ)澆筑過程中容易產(chǎn)生水化熱反應(yīng)，進(jìn)而造成塑料聲測(cè)管與混凝土之間出現(xiàn)裂縫，影響超聲波透射結(jié)果準(zhǔn)確性。同時(shí)，由于樁基礎(chǔ)為混凝土鋼筋材質(zhì)，塑料管與鋼筋籠材質(zhì)不同，綁扎密實(shí)度較低，且鋼筋籠吊裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大作用力，容易出現(xiàn)聲測(cè)管變形、位移問題。因此，在超聲波透射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用中，通常選用金屬波紋管作為聲測(cè)管材料。選擇尺寸時(shí)，為便于換能器上下正常移動(dòng)，聲測(cè)管直徑應(yīng)大于換能器10mm左右，通常選擇35～50mm的金屬波紋管。本工程中選擇的波紋管直徑為50mm，能夠滿足換能器上下移動(dòng)要求。

3.2 聲測(cè)管埋設(shè)要求

聲測(cè)管數(shù)量直接影響樁基礎(chǔ)超聲波檢測(cè)剖面?zhèn)€數(shù)和檢測(cè)精度。根據(jù)超聲波透射檢測(cè)原理，聲測(cè)管數(shù)量越多，其檢測(cè)精度越高，但相應(yīng)人力、物力消耗也越大，增加了超聲波檢測(cè)成本。因此，在實(shí)際檢測(cè)中，一般直徑＜800mm的樁埋設(shè)2個(gè)聲測(cè)管；800mm＜直徑＜2 000mm的樁埋設(shè)3個(gè)聲測(cè)管，并按等邊三角形布設(shè)。本工程中，樁基礎(chǔ)直徑為900mm，聲測(cè)管按等邊三角形埋設(shè)。埋設(shè)施工時(shí)，聲測(cè)管按豎向方向與鋼筋籠點(diǎn)焊固定，并與豎向鋼筋滿焊焊接，確保聲測(cè)管與鋼筋籠緊密連接，防止聲測(cè)管在混凝土澆筑中自由位移和傾斜。

3.3 混凝土齡期的選擇

完成聲測(cè)管埋設(shè)和混凝土澆筑后，混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間增長逐漸增大，樁基介質(zhì)穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)。如果檢測(cè)時(shí)間過早，樁混凝土中含有大量水分，將導(dǎo)致超聲波透射時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)合工程技術(shù)規(guī)范和工程檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，本工程中，根據(jù)混凝土試塊強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)樁基混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值70%且≥15MPa時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，樁混凝土齡期不小于14d。

3.4 檢測(cè)方式

在超聲波透射檢測(cè)中，常見的檢測(cè)方法有樁內(nèi)跨孔透射法、樁外孔透射法和樁內(nèi)單孔透射法（如圖2）。其中，樁內(nèi)單孔透射主要針對(duì)樁內(nèi)只有一個(gè)聲測(cè)通道的情況；樁外孔透射法主要針對(duì)施工完成且樁內(nèi)無聲測(cè)管的情況；樁內(nèi)跨孔透射法是針對(duì)預(yù)埋聲測(cè)管的樁基礎(chǔ)檢測(cè)。三種檢測(cè)方式中，樁內(nèi)跨孔透射檢測(cè)方法結(jié)果最為準(zhǔn)確、成熟，應(yīng)用也最為廣泛。本工程中，先在聲測(cè)管內(nèi)注滿清水，并將3個(gè)接收換能器依次編號(hào)，按順時(shí)針方向置于3根聲測(cè)管中，下放至樁底，自樁底至樁頂均勻同步提升，發(fā)射換能器發(fā)出超聲波經(jīng)樁身混凝土傳播后，由接收換能器將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至超聲儀，經(jīng)超聲儀處理后在顯示器上顯示不同的波形信號(hào)。

樁內(nèi)跨孔透射檢測(cè)，根據(jù)換能器相對(duì)高度的變化，采用平測(cè)、斜測(cè)、交叉斜測(cè)、扇形掃描測(cè)等方法進(jìn)行全面檢測(cè)。本工程進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)采用平測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)（如圖3），并根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2003）按間距250mm進(jìn)行等距平測(cè)。檢測(cè)過程中，換能器提升速度保持在40 cm/s，如換能器提升速度過快易出現(xiàn)漏波或畸形波等問題。針對(duì)局部波形異常的情況，為進(jìn)一步確認(rèn)混凝土樁基礎(chǔ)缺陷，采用斜測(cè)和扇形測(cè)方法進(jìn)行確認(rèn)，斜測(cè)時(shí)將發(fā)、收換能器錯(cuò)開1～2m距離，斜測(cè)角取30°～45°，測(cè)量步距為100～200mm。通過斜測(cè)、扇形測(cè)兩種方式對(duì)樁基礎(chǔ)缺陷性質(zhì)以及嚴(yán)重情況進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

圖2 超聲波透射檢測(cè)方法

圖3 平測(cè)、斜測(cè)、扇形檢測(cè)方法示意圖

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

4.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

4.1.1 聲速判據(jù)

在采用聲速作為判斷依據(jù)時(shí)，以實(shí)測(cè)混凝土聲速值低于聲速臨界值作為可疑缺陷區(qū)域。即表示為：

公式1中，V 為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速值，km/s；

VD為聲速臨界值，km/s。

聲速臨界值可通過正常混凝土聲速平均值與2倍聲速標(biāo)準(zhǔn)差的差值作為聲速臨界值。

4.1.2 波幅判據(jù)

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）規(guī)定，以波幅平均值減去6dB作為波幅臨界值，當(dāng)實(shí)測(cè)波幅小于波幅臨界值時(shí)作為可疑缺陷區(qū)域。

公式2中，AD為波幅臨界值，dB；

Am為波幅平均值，dB；

公式3中，Ai為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)波幅值，dB。

4.1.3 PSD判據(jù)

PSD判斷是一種輔助樁基質(zhì)量檢測(cè)方法，也稱為斜率法，即當(dāng)聲波經(jīng)過缺陷位置區(qū)域時(shí)，聲速變小、聲時(shí)發(fā)生畸變、PSD曲線出現(xiàn)波動(dòng)。根據(jù)該原理，當(dāng)PSD值出現(xiàn)畸變時(shí)，即表示該區(qū)域?yàn)榭梢扇毕輩^(qū)域。

公式4中，t為測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值，z為測(cè)點(diǎn)深度。

4.2 樁身完整性判斷依據(jù)

根據(jù)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范和檢測(cè)工程經(jīng)驗(yàn)，樁身完整性判斷可按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分（如表1）。

4.3 檢查結(jié)果分析

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)處理與分析，本工程抽檢的17根樁均為Ⅰ類樁，樁身完整性良好，波形、波幅無畸變、無夾泥、斷樁等問題。以1-33#樁為例，如果A-B、A-C、B-C三個(gè)剖面聲速實(shí)測(cè)值均大于聲速臨界值，表明樁身介質(zhì)均勻，無夾泥、沉渣、斷樁等問題；如果波幅均大于波幅臨界值，表明超聲波在樁內(nèi)傳播均勻，無局部夾泥、局部斷樁和樁底沉渣等問題。

表1 樁身完整性判斷依據(jù)

圖4 單樁聲波、聲幅檢測(cè)結(jié)果

表2 單樁聲波、聲幅檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)PSD判據(jù)，該樁PSD曲線無顯著變化，表明該樁聲速、聲時(shí)無顯著變化，樁身完整性良好，無顯著缺陷情況（見圖4、表2）。

5 結(jié)語

超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種快速、準(zhǔn)確的無損檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于樁基檢測(cè)中。在具體工程檢查中，檢測(cè)人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)聲測(cè)管埋設(shè)、聲測(cè)方法和處理檢測(cè)數(shù)據(jù)等方面的研究和應(yīng)用，保證檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。