超聲波透射法檢測(cè)樁基完整性常見缺陷對(duì)應(yīng)聲參量特性分析

沈璐璐

（中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

樁基礎(chǔ)是建（構(gòu)）筑物建設(shè)中常用的基礎(chǔ)形式及加固辦法，既往有資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)年均用樁量超出300萬根，混凝土灌注樁是常用的樁基礎(chǔ)形式，尤其是大直徑樁基基本應(yīng)用的是混凝土灌注樁。樁基施工質(zhì)量直接關(guān)系著整個(gè)建筑的安全性，也和人們的生命安危密切相關(guān)。樁基屬于隱蔽工程的范疇，現(xiàn)場(chǎng)施工工序復(fù)雜，環(huán)境條件較差，容易出現(xiàn)斷裂、空洞及混凝土強(qiáng)度降低等問題[1]。應(yīng)科學(xué)分析樁基質(zhì)量缺陷位置，應(yīng)用超聲波技術(shù)輔助檢測(cè)樁身完整性，總結(jié)相應(yīng)的聲參量特性。

1 超聲波透射法檢測(cè)缺陷原理

當(dāng)下，超聲波透射法是公認(rèn)的檢測(cè)混凝土灌注樁樁身缺陷、測(cè)評(píng)其完整性的有效手段之一，當(dāng)超聲波在混凝土內(nèi)傳播后，其將會(huì)帶著和混凝土材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組成相關(guān)的信息，精準(zhǔn)測(cè)量出超聲波經(jīng)過混凝土傳播以后各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)的量值及變化情況，據(jù)此便能判斷出混凝土自身的性質(zhì)、內(nèi)部構(gòu)造特征及成分構(gòu)成等。

當(dāng)混凝土沒有缺陷時(shí)，它是一個(gè)連續(xù)體，超聲波在其內(nèi)正常傳播。但若混凝土有空洞、蜂窩區(qū)等缺陷時(shí)，那么混凝土的連續(xù)性隨之中斷，缺陷區(qū)和混凝土之間形成界面，超聲波在該界面上的傳播情況出現(xiàn)一定改變，比如反射、散射以及繞射等[2]。

2 檢測(cè)技術(shù)

2.1 檢測(cè)前期的準(zhǔn)備工作

指派專人現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，被檢工程的實(shí)際情況具體是采集樁基地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)圖紙與施工記錄、監(jiān)理日志等，全面了解施工工藝的應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)施工中突發(fā)的異常狀況等，認(rèn)真填寫委托單據(jù)及元素記錄表，明確要求樁基設(shè)計(jì)齡期應(yīng)符合擬用檢測(cè)法對(duì)混凝土強(qiáng)度提出的要求，通常在14d 以上或樁身強(qiáng)度抵達(dá)設(shè)計(jì)70%。正式檢測(cè)之前要準(zhǔn)確測(cè)出聲測(cè)管與耦合水層聲時(shí)修正值與檢測(cè)系統(tǒng)的延時(shí)[3]。

2.2 采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

2.2.1 大部分情況下，利用平測(cè)法檢測(cè)樁基缺陷。若現(xiàn)場(chǎng)通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在可疑缺陷區(qū)時(shí)，則要改用斜測(cè)、扇測(cè)或加密法進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.2 提升操作時(shí)要?jiǎng)蛩儆昧縿?dòng)，嚴(yán)禁速度過快。

2.2.3 檢測(cè)同一根樁基礎(chǔ)時(shí)，發(fā)射、接收換能器要以等同標(biāo)高同步升降，并且要維持發(fā)射電壓等儀器參數(shù)恒定不變。

2.2.4 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)保留好數(shù)據(jù)后，可以查看剛剛測(cè)得的數(shù)據(jù)，若探查到該數(shù)據(jù)內(nèi)存在較明顯的信號(hào)異常情況，則可以把探頭重新放回到管底，維持不同探頭管口深度的統(tǒng)一性，二次提升測(cè)試[4]。

2.2.5 于樁身質(zhì)量可以的測(cè)點(diǎn)周邊，應(yīng)用增加測(cè)點(diǎn)布置密度的方法，或用斜測(cè)、扇形掃測(cè)等進(jìn)行復(fù)測(cè)，進(jìn)而使樁身質(zhì)量缺陷定位更加精準(zhǔn)。

2.3 完整（基本完整）樁基檢測(cè)

針對(duì)樁身混凝土結(jié)構(gòu)完整（基本完整）的樁基，不同被檢剖面超聲波接收信號(hào)并不會(huì)形成顯著差異，波幅響度較高，波形基本位置良好，各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)均在正常區(qū)間內(nèi)變動(dòng)，且其頻譜特性呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定性特征。

某電廠改線工程采用了鉆孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25，直徑1500～2300mm，孔深12～20m，各樁均埋設(shè)了3 根聲測(cè)管。其中D3 號(hào)樁全長(zhǎng)16m，樁徑2100mm，該樁基整體分析及測(cè)評(píng)如下。

2.3.1 該樁基三個(gè)測(cè)向聲速、波幅-深度曲線上被測(cè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)值之間的離散度不大，可以應(yīng)用概率法算出聲速及波幅臨界值，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)計(jì)算出以上兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)值后均沒有形成異常點(diǎn)。

2.3.2 三個(gè)不同測(cè)向的PSD-深度曲線走勢(shì)均較平穩(wěn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)PSD 值都處于正常改變范疇，據(jù)此判定該樁基沒有質(zhì)量缺陷。

2.3.3 實(shí)測(cè)波形首波走向陡峭，后續(xù)波形成了較大的波幅，波形包絡(luò)線類似于半圓形，波形沒有形成較明顯的畸變[5]。

2.3.4 實(shí)測(cè)后認(rèn)定整個(gè)波形頻譜特性較好，頻譜主頻峰值突出，這也預(yù)示著樁身混凝土均勻度較好。

整體分析以上超聲圖像特征，可以判定被檢樁基是完整樁。

3 常見樁基缺陷的檢測(cè)案例

3.1 嚴(yán)重分層離析

某省級(jí)公路，K24+850 中橋4-4 樁，樁徑1.2m，樁長(zhǎng)18.Om，C25 混凝土澆筑。I、II、III 剖面臨界值VO分別是4.059km/s、3.987km/s、3.986km/s，AO 對(duì)應(yīng)值分別是102.21dB、104.21dB、107.59dB，該樁基以上三個(gè)剖面聲參量多段形成嚴(yán)重異常。-5m 之上缺陷位置混凝土聲速2.19～2.75km/s，III 剖面波幅參數(shù)最低值是77dB，和臨界值相比最低值低出約30dB。開挖-5m 以上的部分，發(fā)現(xiàn)-3～-4m 區(qū)段混凝土嚴(yán)重離析、分層(夾砂)、局部區(qū)段混凝土呈現(xiàn)出明顯的松散狀[6]。

3.2 樁底沉渣

某公路K116+1001 號(hào)大橋，2～3 樁，樁徑、樁長(zhǎng)對(duì)應(yīng)值分別是1.6m、24m，混凝土等級(jí)C25。I、II、III 剖面臨界值VO 分別 為4.136km / s、4.036km / s、3.885km/s，AO 對(duì)應(yīng)值分別是111.99dB、114.49dB、113.04dB。在-23.1～-24.1m 范圍中以上三個(gè)剖面聲參量均嚴(yán)重異常，III 剖面聲速、波幅最低值分別是1.82km/s、83.52dB，和臨界值相比最低值低出30dB左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢測(cè)驗(yàn)證后，認(rèn)定以上區(qū)段混凝土存在者沉渣缺陷問題。

3.3 夾泥

某個(gè)公路，K113+753 中橋，0-11 樁，樁徑、樁長(zhǎng)分別是12m、15m,C25 混凝土施工。I、II 剖面臨界值VO分別是4.205km/s、4.120km/s，AO 對(duì)應(yīng)值分別是11.26dB、104.89dB。-2～-3m 范圍中部分聲參量嚴(yán)重異常，聲速、波幅參數(shù)低值分別是2.82km/s、74.91dB，現(xiàn)場(chǎng)開挖檢測(cè)驗(yàn)證后，可以判斷出該區(qū)段混凝土存在著夾泥缺陷[7]。

3.4 夾砂

某工程選擇沖孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C25,設(shè)計(jì)直徑1600～2300mm，孔深范圍20～30m，各個(gè)樁體均埋設(shè)了3 根聲測(cè)管。其中L7號(hào)樁全長(zhǎng)達(dá)到26m，樁徑2100mm，圖1是部分測(cè)向?qū)崪y(cè)曲線，做出如下分析及評(píng)價(jià)內(nèi)容。

3.4.1 0.5～1.m 內(nèi)A-B 測(cè)向聲速正常，波幅較小，25～26m 范圍中聲速、波幅都呈現(xiàn)出偏小的特點(diǎn)；B-C 測(cè)向于25～26m 中沒有形成較大波幅，聲速未見顯著改變；A-C 測(cè)向于0.5～1m 與25～26m 范疇中聲速及波幅都較小。

3.4.2 三個(gè)測(cè)向的實(shí)測(cè)聲速值3.9～3.96km/s，處于混凝土聲速的正常區(qū)間內(nèi)，但于8.5～9.5m 區(qū)間聲速值顯著降低。

3.4.3 三個(gè)測(cè)向的PSD-深度曲線于8.5～9.5m區(qū)間中都有肉眼可見突變，A-B、A-C 測(cè)向PSD 值分別在25.5m、25m 處形成突變點(diǎn)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以判斷該樁于8.5～9.5m 范疇中可能存在較大范圍的夾泥，A-B、A-C 測(cè)向分別在0.5～1m、25～26m 范疇中可能存在著低強(qiáng)區(qū)。

3.4.4 分析各測(cè)向的正常與異常測(cè)點(diǎn)的波形以及頻譜，發(fā)現(xiàn)各測(cè)向異常點(diǎn)位置波形首波幅值都顯著低于正常測(cè)點(diǎn)位置的幅值，但后期依然存在者一些幅度，波形和喇叭形較為相似；各測(cè)向異常點(diǎn)位置頻譜的主頻呈現(xiàn)出顯著的多峰表象，并且異常測(cè)點(diǎn)的主頻幅值顯著低于正常測(cè)點(diǎn)的幅值，提示異常測(cè)點(diǎn)位置樁身混凝土內(nèi)部可能存在這部分其他軟弱介質(zhì)。

后期經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該樁基在8.5～9.5m 范疇中混凝土呈松散態(tài)，大概有90cm 范疇不能順利獲得芯樣，部署于A-B 與A-C 測(cè)向的取芯孔在0.5～1m 區(qū)間內(nèi)獲得的芯樣自身存在者大小不等的氣孔，25～26m 范圍中所得芯樣夾雜著少許泥砂，整個(gè)芯樣的強(qiáng)度偏低。

4 結(jié)論

基于樁基工程缺陷檢測(cè)實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)樁基混凝土常見的質(zhì)量缺陷相應(yīng)的超聲波聲參量具備一定特性：

一是沉渣：灌注樁樁底是這種質(zhì)量問題的高發(fā)部位，沉渣屬于一種松散介質(zhì)，會(huì)使聲波傳播過程中出現(xiàn)明顯衰減，聲速及波幅顯著下降是聲參量的主要表現(xiàn)；

二是夾砂：混凝土澆筑導(dǎo)管提升操作不規(guī)范是這種缺陷問題的主要誘因，如果出現(xiàn)在樁身則很容易產(chǎn)生斷樁情況。聲速和波幅是聲學(xué)參數(shù)的主要數(shù)值。當(dāng)波幅急速降低時(shí)，質(zhì)量缺陷處于樁身時(shí)通常會(huì)快速突變，形成“尖”樣，而在樁頂上這種突變是極為緩慢的過程。當(dāng)樁基出現(xiàn)夾砂缺陷時(shí)，超聲波的聲速通常不會(huì)明顯降低，且聲速具體值通常不會(huì)過低。

三是夾泥：這是灌注樁樁身常見的質(zhì)量問題之一，聲速和波幅均降低是聲學(xué)參數(shù)的主要表現(xiàn)，缺陷嚴(yán)重情況影響以上參數(shù)降低值的大小。當(dāng)泥完全包裹聲測(cè)管時(shí)，聲參量大幅度降低，尤其是波幅，會(huì)形成“帽”狀。

四是分層離析：當(dāng)出現(xiàn)這種質(zhì)量缺陷時(shí)，引起的最直接后果是大量粗骨料堆積在樁身混凝土一側(cè)，而另一側(cè)通常僅有砂漿。粗骨料聚集過多的一側(cè)在聲學(xué)上表現(xiàn)出明顯高波速，形成一定縫隙，在該位置超聲波會(huì)出現(xiàn)不同程度的反射、散射情況，此時(shí)接收到的聲波能量將會(huì)有不同程度的衰弱，波幅顯著降低。