超聲波透射法在橋梁樁身完整性檢測中的應用

李 燕

(山西交通控股集團有限公司晉城高速公路分公司，山西 晉城 048000)

1 超聲波透射法檢測原理

超聲波透射法適用于樁徑在0.8 m以上的鋼筋混凝土樁基完整性檢測。超聲波屬于彈性波，檢測中將混凝土介質(zhì)看作是彈性體，聲波在樁基內(nèi)部傳播可以看作是彈性波傳播。超聲波通過發(fā)生探頭發(fā)射出去，通過水的耦合作用傳遞到聲測管，進一步傳遞到混凝土介質(zhì)中，最后到達聲測管的接收端。通過接受換能器接受聲波信號，轉(zhuǎn)化為電信號，最后將電信號傳遞到超聲檢測裝置。

如果混凝土內(nèi)部缺陷，產(chǎn)生的不連續(xù)界面會阻礙聲波的傳遞，從而產(chǎn)生發(fā)生繞射與散射，造成聲波能量損失。若樁基混凝土內(nèi)部存在孔洞，聲波傳遞進去會產(chǎn)生散射或繞射，聲時延長，振幅與波速都會產(chǎn)生衰減。通過聲波的發(fā)出時間和達到時間，結(jié)合聲波的頻率、波形畸變程度和能量衰減情況計算檢測范圍內(nèi)的混凝土聲學參數(shù)。通過分析不同檢測剖面和不同高度的聲波特征的檢測結(jié)果進行分析處理，可確定樁基混凝土的強度，缺陷的性質(zhì)和空間位置。

2 樁基完整性檢測

2.1 超聲波透射法檢測方法

由于受到樁基內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的影響，樁基在施工過程中可能出現(xiàn)很多質(zhì)量缺陷。根據(jù)彈塑性介質(zhì)中波動理論，超聲波檢測結(jié)果可以通過混凝土內(nèi)部超聲波波速和振幅的變化確定樁基的完整性，超聲波透射法應力波波速計算公式為

式中：E—介質(zhì)的動態(tài)彈性模量；ρ—混凝土密度；μ—泊桑比。

樁基完整性檢測的理論依據(jù)是超聲波在樁基混凝土的傳播參數(shù)與混凝土的物理力學性能直接相關(guān)，可通過分析確定樁基缺陷的性質(zhì)和位置。超聲波的傳播參數(shù)包括聲時、聲速、波幅、衰減系數(shù)等，當樁基內(nèi)部混凝土均勻、密實時，傳播系數(shù)基本保持一致。當混凝土存在缺陷時，超聲波會在缺陷部位產(chǎn)生繞射、反射、衰減，導致傳播參數(shù)產(chǎn)生變化。采用高精度的超聲波檢測儀，可準確記錄超聲波的傳播參數(shù)的變化情況，根據(jù)聲波檢測結(jié)果可對樁基完整性進行判定。

2.2 聲測管布置

超聲波透射法進行樁基完整性檢查是，需要在樁基布置聲測管，聲測管的數(shù)量與樁徑有關(guān)，當樁徑D≤750 mm時，聲測管數(shù)量為2根；當樁徑7501 500時，聲測管數(shù)量不少于3根。聲測管長度與樁長對應，第一根聲測管A對應正北方向，聲測管布置如圖1所示。

圖1 聲測管布置示意圖

采用超聲波透射法對樁基完整性進行檢測時，從樁底開始每隔一定高度選取一個剖面進行檢測，且滿足發(fā)射與接收換能器累積高差不得超過2 cm。檢測時如發(fā)現(xiàn)讀數(shù)異常，應加密測點，進行校正。

2.3 樁身完整性判定標準

根據(jù)超聲波傳播參數(shù)的基本特征，可對樁身完整性進行判定，根據(jù)超聲波波速、波幅情況，可將樁基分為以下四類。

(1)Ⅰ類樁。Ⅰ類樁樁基超聲波檢測結(jié)果顯示波速、波幅值均高于臨界值，波形正常，各檢測斷面聲學參數(shù)無異常，說明樁基完整無缺陷。

(2)Ⅱ類樁。這類樁超聲波檢測結(jié)果顯示波形基本正常，個別波速、波幅略小于臨界值，個別檢測斷面聲學參數(shù)存在異常，說明樁基局部存在輕微缺陷，不影響樁基的承載力，可以正常使用。

(3)Ⅲ類樁。這類樁超聲波檢測結(jié)果中波速變化不嚴重，但檢測斷面存在多個測點波速、波幅小于臨界值的情況，且存在兩個或兩個以上檢測剖面在同一位置的聲學參數(shù)存在異常，說明樁基局部存在較嚴重的缺陷，會降低樁基承載力，需要進行處治后方可使用。

(4)IV類樁。這類樁超聲波檢測結(jié)果顯示波形出現(xiàn)嚴重畸形，且某一個檢測剖面出現(xiàn)連續(xù)測點明顯低于臨界值，且且存在兩個或兩個以上檢測剖面在同一位置的聲學參數(shù)存在明顯異常，首波波速很低，甚至檢測不到，波速曲線接近直線，說明樁基存在嚴重缺陷，不能正常使用，應當做報廢處理。

3 樁基完整性檢測分析

3.1 案例

某特大橋設計采用(20×25)m預應力小箱梁，樁基礎施工采用鉆孔灌注樁工藝。橋梁樁基共計44根，施工區(qū)域工程地質(zhì)情況良好。鉆孔灌注樁設計樁徑1 500 mm，樁身采用C30混凝土，樁長15 m。為了便于檢測樁基施工質(zhì)量，施工中在樁身埋設3根聲測管，呈等邊三角形布置。樁身采用超聲波透射法進行檢測，每隔500 mm檢測一次，選取部分樁基檢測結(jié)果進行分析。選取樁基三個剖面的檢測結(jié)果進行分析，確定樁基檢測的完整性。

3.2 檢測結(jié)果分析

圖2 樁基2～1剖面超聲波檢測圖

選取2#、15#、26#樁基的檢測結(jié)果進行分析，對應剖面為2～1、15～2、26～2，超聲波檢測結(jié)果如圖2～圖4所示。通過對三個剖面檢測結(jié)果進行分析，得出樁基剖面聲學參數(shù)檢測結(jié)果如表1。

圖3 樁基15～2剖面超聲波檢測圖

圖4 樁基26-2剖面超聲波檢測圖

表1 樁基剖面聲學參數(shù)檢測結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)和圖2～圖4剖面超聲波檢測圖，得出三個剖面聲速檢測的平均值分別為5.156 km/s、5.267 km/s、4.879 km/s，幅值平均值分別為119.650 dB、120.064 dB、120.120 dB，測量值均大于臨界值，處于正常的取值范圍，各檢測剖面聲速、幅值均勻，且不存在缺陷，說明樁基完整性良好，樁基承載力足夠，判定為Ⅰ類樁。

4 結(jié) 語

超聲波透射法可通過超聲波在樁基內(nèi)部傳遞的的波速、幅值等參數(shù)檢測樁基質(zhì)量，是公路橋梁樁基完整性檢測的常用方法之一。超聲波透射法檢測設備具有較高的靈敏度，且檢測結(jié)果也較準確。通過全面闡述超聲波透射法的檢測原理，分析樁基完整性的判斷依據(jù)，并結(jié)合工程案例分析三個樁基檢測斷面超聲波檢測圖和相關(guān)數(shù)據(jù)，得出各檢測剖面聲速測量值均大于臨界值，未發(fā)現(xiàn)樁基存在缺陷，判定為Ⅰ類樁，說明樁基完整性良好，承載力足夠。