聲波透射法在鐵路橋梁樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

□ 陳 亮

聲波透射法檢測(cè)鐵路橋梁樁基工程，是近些年來(lái)伴隨我國(guó)鐵路客專(zhuān)、高速鐵路迅速發(fā)展的需要而大量采用的一種檢測(cè)方法。該檢測(cè)方法能準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)出鐵路橋梁樁基混凝土中存在的離析、夾泥、空洞、沉渣、斷樁等質(zhì)量缺陷，為樁基完整性檢測(cè)判定提供可靠的依據(jù)，是一種便捷、快速、安全、可靠的檢測(cè)方法。在此，特結(jié)合以往鐵路橋梁樁基聲波透射法檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，擬從聲波透射法檢測(cè)原理、適用范圍、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)基本要求、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析及缺陷判斷等方面，對(duì)聲波透射法樁基檢測(cè)進(jìn)行較為全面的分析研究，以期對(duì)開(kāi)展同類(lèi)樁基檢測(cè)工作有所裨益。

1 聲波透射法檢測(cè)原理

聲波透射法檢測(cè)混凝土樁基是根據(jù)“穿透法”，采用發(fā)射換能器重復(fù)發(fā)射超聲波脈沖，讓超聲波在所檢測(cè)的樁基混凝土中傳播，然后由接收換能器所接收[1]。超聲波在穿透混凝土介質(zhì)的傳播過(guò)程中，會(huì)在樁身缺陷處發(fā)生繞射、折射和多次反射，接收換能器接收到聲波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)聲波檢測(cè)儀接收、處理并自動(dòng)生成樁基檢測(cè)參數(shù)（如聲速、波幅、頻率、聲時(shí)）及相關(guān)檢測(cè)圖形（如聲時(shí)與波幅波形圖、波列圖，等等），動(dòng)態(tài)地反映樁基混凝土基本質(zhì)量及有關(guān)缺陷狀況[2]。

2 聲波透射法適用范圍

根據(jù)《鐵路工程樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB 10218—2019）的規(guī)定，樁徑D≥2m或樁長(zhǎng)L≥40m或特殊結(jié)構(gòu)物或復(fù)雜地質(zhì)條件下的基樁，應(yīng)采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)；樁徑＜40m的樁基采用低應(yīng)變法進(jìn)行檢測(cè)。采用聲波透射法檢測(cè)鐵路橋梁樁基時(shí)，需按設(shè)計(jì)要求提前在樁身埋設(shè)聲測(cè)管。聲測(cè)管埋設(shè)如圖1所示，當(dāng)樁徑D≤0.8m時(shí)，應(yīng)埋設(shè)不少于2根管；0.8m＜D≤1.6m時(shí)，應(yīng)埋設(shè)不少于3根管；1.6m＜D≤2.5m時(shí)，應(yīng)埋設(shè)不少于4根管；D＞2.5m時(shí)，宜增加聲測(cè)管的埋設(shè)數(shù)量[3]。

目前鐵路橋梁工程樁基多采用1m、1.25m樁徑，聲測(cè)管按圖1（b）的布置方式埋設(shè)。

圖1 聲測(cè)管布置示意圖

3 鐵路橋梁樁基檢測(cè)

3.1 基本要求

在進(jìn)行鐵路橋梁樁基檢測(cè)時(shí)，應(yīng)以每個(gè)橋梁墩臺(tái)為一個(gè)檢測(cè)單元，每檢測(cè)單元應(yīng)一次性連續(xù)檢測(cè)完畢。開(kāi)始檢測(cè)時(shí)間：需待樁基混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%且不應(yīng)低于15MPa時(shí)方可進(jìn)行檢測(cè)[1]。考慮到鐵路橋梁樁基工程施工工藝的需要，其樁基檢測(cè)應(yīng)在承臺(tái)基坑開(kāi)挖完成，并破除樁頭、割除聲測(cè)管頂部管節(jié)后進(jìn)行，一般情況下應(yīng)在某承臺(tái)最后一條樁基澆筑水下混凝土20d后進(jìn)行較為適宜。

3.2 準(zhǔn)備工作

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)先核對(duì)墩臺(tái)號(hào)、樁號(hào)，了解樁基類(lèi)型（摩擦樁、端承樁）、樁徑、樁長(zhǎng)、樁身混凝土等級(jí)、樁頂標(biāo)高等設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)，應(yīng)檢查聲測(cè)管頂部管口是否平齊一致、測(cè)管是否堵塞、聲測(cè)管內(nèi)是否注滿耦合劑（清潔水），符合要求后即可開(kāi)始檢測(cè)。如聲測(cè)管局部堵塞時(shí)，則應(yīng)采取有效措施通管。通管方法：用高壓水沖洗清管，或采用鉆機(jī)配小鉆頭掃孔清管，或鉆芯通管，直至滿足測(cè)試要求。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

采用數(shù)字非金屬聲波測(cè)試儀［如武漢巖海RS—ST06D（S）］。正式檢測(cè)前，需錄入被檢樁基的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)（如工程名稱(chēng)、墩臺(tái)編號(hào)、樁基編號(hào)、樁基混凝土等級(jí)等），設(shè)定好測(cè)點(diǎn)間距。檢測(cè)時(shí)，測(cè)定樁長(zhǎng)，采用平測(cè)法對(duì)全樁各個(gè)檢測(cè)剖面的樁身混凝土質(zhì)量進(jìn)行普查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常部位時(shí)，采用加密平測(cè)、斜測(cè)或扇形掃測(cè)等細(xì)測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)[4]；必要時(shí)可鉆芯取樣、試壓予以驗(yàn)證。平測(cè)法、斜測(cè)法、扇形掃測(cè)法的具體步驟如下：

（1）平測(cè)法是鐵路橋梁樁基檢測(cè)的常規(guī)方法，如圖2（a）所示。平測(cè)法檢測(cè)樁基發(fā)現(xiàn)聲學(xué)參數(shù)存在異常測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)采用斜測(cè)法或扇形掃測(cè)法對(duì)異常測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密測(cè)試，以便準(zhǔn)確確定異常部位的范圍，從而為樁身完整性判定提供可靠依據(jù)。

平測(cè)基本方法：先將發(fā)射、接收換能器分別置于1、2聲測(cè)管（見(jiàn)圖1）的管底并保持相同標(biāo)高，然后按設(shè)定好的測(cè)點(diǎn)間距，自下而上將發(fā)射、接收換能器以相同的步長(zhǎng)（一般采用200mm），勻速、平穩(wěn)地向上提升（此時(shí)聲波檢測(cè)儀始終處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)），在提升過(guò)程中主機(jī)相關(guān)系統(tǒng)自動(dòng)讀取步長(zhǎng)、聲時(shí)、波幅、主頻、縱速等測(cè)試參數(shù)，自動(dòng)記錄各測(cè)點(diǎn)的聲波信號(hào)，形成聲時(shí)、波幅曲線及波列圖等。根據(jù)近些年來(lái)開(kāi)展鐵路橋梁樁基檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)看，在各種檢測(cè)參數(shù)中波列圖、縱速最為關(guān)鍵。一般情況下，根據(jù)波列圖、縱速即可判定樁身混凝土的缺陷類(lèi)別（如離析、夾泥、沉渣、斷樁等）。

圖2 樁基檢測(cè)方法示意圖

（2）斜測(cè)法是驗(yàn)證檢測(cè)的主要方法，如圖2（b）所示。斜測(cè)時(shí)應(yīng)采取兩種不同的方式進(jìn)行（不宜采用單一的斜測(cè)法驗(yàn)證檢測(cè)）：第一，發(fā)射換能器比接收換能器位置高一個(gè)步長(zhǎng)，且位于可疑點(diǎn)下方0.5r以上的距離（r為樁基半徑），此時(shí)接收換能器終止點(diǎn)位置應(yīng)位于可疑點(diǎn)頂部0.5r以上的距離；第二，發(fā)射換能器比接收換能器的位置應(yīng)低于一個(gè)步長(zhǎng)，此時(shí)接收換能器應(yīng)位于可疑點(diǎn)下方0.5r以上的距離，發(fā)射換能器終止點(diǎn)位置應(yīng)位于可疑點(diǎn)頂部0.5r以上的距離。斜測(cè)法驗(yàn)證檢測(cè)時(shí)，步長(zhǎng)應(yīng)≤100mm，提升發(fā)射、接收換能器時(shí)，應(yīng)勻速、平穩(wěn)保持同步。每一缺陷部位驗(yàn)證檢測(cè)次數(shù)應(yīng)≥2。斜測(cè)時(shí)，發(fā)射、接收換能器中心連線與水平面夾角宜按300°～400°范圍掌握，不宜過(guò)大。

（3）扇形掃測(cè)驗(yàn)證檢測(cè)也可采用扇形掃測(cè)的方式進(jìn)行，如圖2（c）所示。扇形掃測(cè)是將一個(gè)換能器置于某一高程不動(dòng)，而將另一換能器逐點(diǎn)移動(dòng)，使測(cè)線呈扇形分部。扇形掃測(cè)試時(shí)，各測(cè)點(diǎn)測(cè)距可不盡相同，各測(cè)點(diǎn)波幅不宜相互比較，應(yīng)注意根據(jù)相鄰點(diǎn)測(cè)值的突變對(duì)某測(cè)點(diǎn)測(cè)線進(jìn)行分析，缺陷判定主要依據(jù)應(yīng)是縱速大小及聲波信號(hào)衰減程度。缺陷位于樁底部位，難以扇形掃測(cè)時(shí)，也可采取加密平測(cè)法予以驗(yàn)證檢測(cè)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)步距應(yīng)≤100mm。

4 數(shù)據(jù)分析及缺陷判斷的主要方法

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)完畢后，數(shù)據(jù)分析及缺陷判斷的主要方法：一是查看波列圖；二是核對(duì)缺陷區(qū)域的縱速值；三是進(jìn)行綜合判定。有關(guān)方法及注意事項(xiàng)如下：

圖3 波列圖局部示意圖

4.1 查看波列圖

波列圖為聲時(shí)與波幅波形的集合圖，或聲測(cè)線的集合圖，如圖3所示。正常波列圖：全樁各檢測(cè)剖面范圍內(nèi)，聲測(cè)線排列有序、規(guī)則分布、疏密得當(dāng)，基本無(wú)畸變現(xiàn)象，如圖3（a）所示；缺陷波列圖：缺陷部位聲測(cè)線呈畸形變化，無(wú)首波，波幅較小，有的甚至呈直線狀，其余部位波列圖正常，如圖3（b）所示。

從圖3可以看出，正常波列圖與缺陷波列圖區(qū)別較大，易于辨識(shí)。因此，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，應(yīng)查看波列圖，準(zhǔn)確掌握每一條樁基各檢測(cè)剖面的缺陷數(shù)量及大致部位，從而為數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)確依據(jù)。

4.2 仔細(xì)核對(duì)缺陷區(qū)域的縱速值

聲速是分析樁身混凝土基本質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵聲學(xué)參數(shù)，利用聲波透射法檢測(cè)鐵路樁基時(shí)，聲速分析主要是對(duì)測(cè)試儀顯示屏中所顯示的縱速值進(jìn)行分析。樁身混凝土正常狀態(tài)及各種缺陷狀態(tài)下（嚴(yán)重離析、嚴(yán)重夾泥、斷樁等），其縱速有相對(duì)應(yīng)的確定值域，根據(jù)不同的縱速值基本可確定缺陷的大體類(lèi)別，逐測(cè)點(diǎn)仔細(xì)核對(duì)縱速值后，即可準(zhǔn)確地劃分缺陷的起始與終止部位。為快速、有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，縱速值的核對(duì)與分析應(yīng)在查看波列圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

4.3 綜合判定

為準(zhǔn)確判定樁身缺陷類(lèi)別、范圍及樁身完整性類(lèi)別，在查看波列圖、核對(duì)縱速值的基礎(chǔ)上，還應(yīng)依據(jù)聲時(shí)、波幅、主頻、聲時(shí)與波幅波形圖及鉆孔樁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（混凝土等級(jí)）、鉆孔樁施工工藝及地質(zhì)情況等進(jìn)行綜合判定。由于超聲波在混凝土傳播過(guò)程中，遇到各種缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生繞射、反射或多次反射，故聲時(shí)會(huì)延長(zhǎng)（正常情況下其平均值大約為127μs，即Tm=127μs，缺陷嚴(yán)重時(shí)會(huì)延長(zhǎng)至300μs～480μs），波幅也會(huì)隨缺陷類(lèi)別的不同，發(fā)生不同的衰減或嚴(yán)重衰減變化（正常情況下，其波幅大約在102dB～111dB范圍內(nèi)，斷樁時(shí)會(huì)衰減至0dB呈直線狀），主頻值也會(huì)隨缺陷類(lèi)別的不同，發(fā)生不同的漂移或嚴(yán)重漂移（正常情況下主頻值一般比較穩(wěn)定，遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生較大的漂移，斷樁時(shí)會(huì)漂移至20kHz以下），聲時(shí)與波幅波形也會(huì)隨缺陷的不同，發(fā)生不同的衰減變化，其中，圖4（a）為正常聲時(shí)與波幅波形，圖4（b）為斷樁時(shí)嚴(yán)重震蕩變化波形。

圖4 聲時(shí)、波幅波形示意圖

5 實(shí)例分析與判定

下面以樁徑1.0m、樁長(zhǎng)L＞40m、樁身C45混凝土、埋設(shè)3個(gè)聲測(cè)管、檢測(cè)步距設(shè)定為200mm時(shí)的鐵路橋樁為例，對(duì)樁身混凝土質(zhì)量及其缺陷進(jìn)行綜合分析、判定如下：

5.1 樁基質(zhì)量合格情況

樁基質(zhì)量合格時(shí)（即Ⅰ類(lèi)樁），測(cè)點(diǎn)縱速值在4300m/s～5100m/s范圍內(nèi)。此時(shí)波列圖正常，首波完整，聲時(shí)、波幅波形形態(tài)較好，且波形基本無(wú)衰減變化。此時(shí)，波幅、聲時(shí)正常，主頻比較穩(wěn)定，3個(gè)檢測(cè)剖面所有測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)均會(huì)呈現(xiàn)出上述良好特征。

5.2 樁身混凝土離析

輕微離析時(shí)，測(cè)點(diǎn)縱速值一般保持在3700m/s～4300m/s范圍內(nèi)。此時(shí)波列圖變化較大，首波不完整，聲時(shí)、波幅波形會(huì)發(fā)生畸變，聲時(shí)略有增加（約在150μs～160μs范圍內(nèi)），主頻值略有漂移（約在43kHz～46kHz范圍內(nèi)）。如該種缺陷僅發(fā)生在某一個(gè)檢測(cè)剖面，且其缺陷范圍不大時(shí)，該樁身混凝土質(zhì)量可判定為合格；如果該種缺陷同時(shí)發(fā)生在多個(gè)測(cè)面時(shí)，其質(zhì)量應(yīng)判定為基本合格（即Ⅱ類(lèi)樁）。

嚴(yán)重離析時(shí)，測(cè)點(diǎn)縱速值則會(huì)較低，僅能保持在3000m/s～3700m/s范圍內(nèi)。此時(shí)波列圖變化較大，首波已發(fā)生畸變，聲時(shí)、波幅波形衰減變化極大，波幅劇烈震蕩；聲時(shí)會(huì)增加至210μs以上，主頻漂移量較大（有的低于35kHz）。如該種缺陷發(fā)生在單一檢測(cè)剖面且缺陷范圍較小時(shí)，樁基質(zhì)量可判定為基本合格（Ⅱ類(lèi)樁）；如該種缺陷同時(shí)發(fā)生在多個(gè)檢測(cè)剖面，且缺陷部位基本相同，缺陷范圍較大時(shí)，則應(yīng)判定為嚴(yán)重缺陷，該種情況應(yīng)鉆芯取樣驗(yàn)證，當(dāng)驗(yàn)證強(qiáng)度嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，樁基質(zhì)量應(yīng)判定為基本不合格（即Ⅲ類(lèi)樁）。

5.3 樁身混凝土嚴(yán)重夾泥

一般情況下，這種缺陷出現(xiàn)在樁底較多（樁身局部塌孔時(shí)也可能出現(xiàn)）。樁底混凝土嚴(yán)重夾泥時(shí)，一般縱速值極低，僅能保持在1900m/s～2500m/s范圍內(nèi)，此時(shí)波列圖變化極為嚴(yán)重，無(wú)首波，聲時(shí)、波幅波形基本呈直線狀，聲時(shí)會(huì)增加至290μs以上，主頻漂移較大（甚至低于26.0kHz）。樁底混凝土嚴(yán)重夾泥主要因施工工藝缺陷所致（孔頂儲(chǔ)料斗鋼閘板下未設(shè)置隔水裝置），該種缺陷對(duì)樁身影響的范圍一般會(huì)比較大（少則1m，多則3m），而且會(huì)同時(shí)影響3個(gè)檢測(cè)剖面，該時(shí)樁基質(zhì)量應(yīng)判定為基本不合格（即Ⅲ類(lèi)樁）。

5.4 斷樁

該種缺陷大多由澆筑水下混凝土的工藝缺陷所造成（如拔管過(guò)高，露出混凝土面后第二次插管澆筑水下混凝土所致等）。出現(xiàn)斷樁事故后，3個(gè)檢測(cè)剖面的縱速值均會(huì)同時(shí)出現(xiàn)較大幅度的低值（一般會(huì)低至1600m/s～2500m/s范圍內(nèi)）。此時(shí)多個(gè)檢測(cè)剖面均會(huì)在同一部位出現(xiàn)相同的缺陷，波列圖則會(huì)出現(xiàn)較大范圍的嚴(yán)重畸變，無(wú)首波，聲時(shí)、波幅波形基本呈直線狀；聲時(shí)會(huì)增加至300μs以上，主頻值則會(huì)降低至20kHz以下。該類(lèi)缺陷性質(zhì)極其嚴(yán)重，樁基質(zhì)量應(yīng)判定為不合格（即Ⅳ類(lèi)樁）。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)近些年來(lái)鐵路橋梁樁基檢測(cè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看，聲波透射法檢測(cè)鐵路橋梁樁基時(shí)，可依據(jù)波列圖、縱速值對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合聲時(shí)、波幅、主頻、聲時(shí)與波幅波形及鉆孔樁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（混凝土等級(jí)）、鉆孔樁施工工藝、地質(zhì)情況等情況，對(duì)樁身完整性進(jìn)行準(zhǔn)確綜合判定。在此特將這種分析、判定方法與同行們進(jìn)行交流、研討，以期把鐵路樁基檢測(cè)工作做得更好。