跨孔超聲波在鉆孔咬合樁完整性檢測中的應用

楊光升

中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1. 引言

鉆孔咬合樁屬于混凝土灌注樁的一種類型，是一種深基坑圍護結構，通常采用素混凝土樁與鋼筋混凝土樁間隔布置的工法，相鄰的樁互相搭接、咬合，以達到良好的整體連續(xù)性和密閉性。由于鉆孔咬合樁施工過程中通常會涉及大量的地下或水下混凝土灌注，受地質情況、施工工藝、施工設備和施工經(jīng)驗等多種因素影響，可能會導致蜂窩孔洞、夾泥異物、縮徑、密實度差和斷樁等質量缺陷的發(fā)生。因此，對混凝土樁基的完整性檢測尤為重要，常用的檢測方法有低應變法(Low Strain Integrity Testing)以及跨孔超聲波法(Cross-Hole Sonic Logging，簡稱CSL)兩種。低應變法適用于樁型比較簡單或樁身阻抗變化不大的情況，雖能檢測質量缺陷的存在，但是不能給出缺陷的確切類型，相對來說，跨孔超聲波檢測法的檢測范圍和數(shù)據(jù)精度要高很多。本文以中國石油管道局工程有限公司在阿曼拉斯瑪卡茲原油儲罐工程中進行海水取水井的鉆孔咬合樁施工為例，闡述了跨孔超聲波技術在混凝土灌注樁完整性檢測中應用的優(yōu)點。

跨孔超聲波檢測法是無損檢測大直徑灌注樁完整性最行之有效的方法之一，該測試方法最早是由法國建筑與公共工程研究實驗中心(CEBTP)于上世紀60 年代后期發(fā)展起來的，能夠在不破壞材料、結構的組織和使用性能的同時，以相對經(jīng)濟的方法來定位缺陷并評估樁基質量，它可以檢測整個混凝土樁身的各個截面，且具有結果準確、測試成本低、檢測快捷等優(yōu)點。隨著近年來計算機等技術的發(fā)展，跨孔超聲檢測技術越來越多的用于各種形式的混凝土構件的內部或表層質量缺陷的檢測，在工業(yè)民用建筑、鐵路、公路、港口和石油天然氣等工程建設中得到了廣泛應用。

2. 跨孔超聲波探測技術介紹

2.1. 探測原理

跨孔超聲波檢測法是利用超聲波脈沖穿透介質傳播的速度與介質的密度和聲波波長相關的理論[1]，是基于對超聲脈沖速度測試的研究。聲波是在介質中傳播的機械波，用于混凝土檢測的聲波，其主頻率為2 × 104～2.5 × 105Hz，屬于超聲頻段，能量較小，作用時間短，混凝土不會產(chǎn)生塑性變形，可以近似地看作彈性介質，在聲波振動作用下能產(chǎn)生彈性形變。超聲波傳播速度pυ是泊松比(υ)、密度(ρ)和材料彈性模量(E)的函數(shù)，當聲波穿透時混凝土的形變和應力呈線性關系，運用彈性力學的方法，其速度推導如下面公式[2]所示：

超聲波檢測儀通過超聲脈沖發(fā)射裝置重復發(fā)射超聲波信號，信號在兩個豎向導測管中的探頭之間傳播，經(jīng)多次反射、折射、繞射及吸收衰減后，用高精度的接收系統(tǒng)記錄下該脈沖波在混凝土內傳播的時間、波的能量衰減特性、頻率變化及波形畸變程度等特征。脈沖傳播速度受兩個探頭之間所有介質的具體條件影響，包括混凝土、水耦合劑和鋼管等。用聲波檢測儀沿樁的縱軸方向以固定的間距逐點檢測聲波穿過樁身各橫截面的聲學參數(shù)，當混凝土內存在不連續(xù)或破損界面時會形成波阻抗界面，波到達該界面時，產(chǎn)生波的透射、散射和反射等，使接收到的透射波能量明顯降低。對不同側面、不同高度上的超聲波動特征進行記錄，然后對這些數(shù)據(jù)進行處理、分析和判斷，可以獲得測區(qū)范圍內混凝土的材料性能、內部結構、密實性、缺陷情況等，從而推斷樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性狀況，評定樁身完整性等級。

2.2. 檢測儀器和設備

2.2.1. 導測管

導測管多采用鍍鋅鋼管，埋設數(shù)量根據(jù)樁徑大小而定，具體布置數(shù)量要求視各行業(yè)規(guī)范稍有不同，其目的是確保樁的全截面混凝土都能被檢測到，布設的管數(shù)越多聲波覆蓋面積越大。通常樁徑小于1 m時，預埋2 根管，樁徑在1 m 至1.5 m 之間時，預埋3 根管，樁徑大于1.5 m 時，預埋4 根管[3]。每對導測管應依次組合進行測量，因此，3 根管系統(tǒng)將有3 個組合路徑，4 根管系統(tǒng)將有6 個組合路徑，如下圖1 所示，每對管的測試都要進行記錄、分析和報告結果。導測管內徑一般為38 至50 mm (1.5 至2.0 英寸)，其尺寸要大于聲波傳感器探頭的外徑，以便傳感器探頭能在導測管內順利通過。

Figure 1. Typical layout for access tube圖1. 聲波導測管典型布置圖

2.2.2. 跨孔聲波檢測器

跨孔聲波檢測器的組成包括：發(fā)射系統(tǒng)、發(fā)射傳感器、放大和接收系統(tǒng)、接收傳感器以及計算機組成，如下圖2 所示。檢測時，發(fā)射和接收傳感器分別置于兩個導測管中，發(fā)射系統(tǒng)將電能轉化為超聲波，超聲波脈沖的發(fā)送和接收是通過兩個壓電式探頭來實現(xiàn)的，探頭在預先埋置在測試樁內且裝滿水的金屬導測管里移動，進行發(fā)射和接收脈沖信號，并通過電纜連接電腦進行記錄。

Figure 2. The cross-hole analyzer圖2. 跨孔聲波檢測器

探頭中含有陶瓷材料的傳感器，選擇陶瓷材質是因為其機械阻抗接近混凝土。發(fā)射系統(tǒng)應確保能在低電壓下工作且保持較強勁的功率，以減少電纜干擾，盡可能發(fā)出清晰的聲波信號。接收器能夠放大經(jīng)混凝土、水和管道透射后的聲波信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也將記錄探頭的深度信息，測量數(shù)據(jù)要精確到導測管道長度的1%以內，探頭最深應能夠在導測管底部100 mm 內發(fā)射和接收脈沖。檢測示意圖如下圖3 所示。

Figure 3. Schematic diagram for cross-hole sonic logging testing圖3. 跨孔聲波檢測示意圖

圖3(a)是跨孔超聲波檢測設備的典型布置，將兩個探頭分別沉降到導測管底部，左側黑色為發(fā)射端，右側紅色為接收端，注意檢測時需將兩個探頭保持在同一水平面上，確保勻速提升。圖3(b)是導測管的平面布置及每對測量組合路徑(以4 根管為例)。圖3(c)展示的是跨孔超聲波檢測時由探頭實時檢測到的信號強弱數(shù)據(jù)，在遇到混凝土缺陷時會發(fā)現(xiàn)有明顯的時間延遲和聲波振幅減小現(xiàn)象。

檢測中發(fā)現(xiàn)信號異常后，應繼續(xù)對各檢測組合進行完整記錄后再進行仔細評估，因為有多種因素可能會影響評估結論，如平均傳播時間的偏差大小、異常點所在深度范圍、同一深度范圍內多個方向是否都存在異常等，應該綜合內外部因素認真審視。

3. 工程實例

3.1. 項目概況

阿曼拉斯瑪卡茲原油儲罐項目的建設場區(qū)位于阿曼中部省的東南部，東臨阿拉伯海，本工程的海水取水站緊鄰海岸線布置，地表標高約3.0 m。地勘報告顯示，該區(qū)域地下主要為中等風化的泥巖、砂巖以及石灰石地層，地下水位較高。

根據(jù)設計圖紙，本取水站共計68 根地下混凝土咬合樁，設計樁長為14.2 m，樁中心間距770 mm，素混凝土樁和鋼筋混凝土樁交錯布置，咬合厚度230 mm，采用歐標C40/50 混凝土澆筑，如下圖4 所示。

Figure 4. Typical drawing of secant pile圖4. 鉆孔咬合樁典型布置圖

3.2. 現(xiàn)場探測

3.2.1. 準備工作

聲波探測儀器在現(xiàn)場施測前要按照使用說明書的要求進行全面的調試和校驗。

施工承包商已提前根據(jù)圖紙將長度為15.15 m、內徑為50 mm 的導測鋼管垂直固定在樁身的鋼筋籠上進行了混凝土澆筑。檢測前導測管應填滿水，水作為傳感器與導測管之間的耦合劑。鋼管應無腐蝕，內外部表面清潔以確?；炷梁凸艿乐g良好的粘結，以免影響檢測精度。管底封死，確保不漏水。

通常選擇混凝土澆筑后的3～7 天進行聲波檢測，具體取決于混凝土的強度和樁徑大小，對于大直徑樁一般選擇在接近7 天的養(yǎng)護時間時進行。本工程選取3 根樁進行檢測，詳細信息如下表1 所示。

Table 1. Description of testing piles表1. 測試樁信息表

3.2.2. 檢測步驟

將聲波發(fā)射探頭和接收探頭放入各自的導測管并沉降到導測管底部，放置在同一水平面上，然后兩個傳感器同時以300 mm/s 的速率緩慢提升，同時發(fā)射探頭以每秒10 次脈沖的頻率發(fā)射聲波脈沖，聲波被相鄰管中的接收器檢測接收。大約每提升5 cm 進行一次測量數(shù)據(jù)采集，直到到達導測管頂部。為每對導測管組合重復這一過程，依次進行探測，并記錄每個探測結果。通過檢測記錄，可以建立起兩個探頭之間的混凝土區(qū)域的“聲波剖面圖”。

檢測過程中，對樁身質量可疑的測點周圍，可采用加密測點，或采用斜測、扇形掃測等方式進行復測，進一步確定樁身缺陷的位置和范圍。

3.3. 數(shù)據(jù)收集、處理及結果釋義

跨井聲波檢測技術的主要測量指標是聲波信號從發(fā)射器到接收器的傳輸時間。聲波信號到達時間的變化使我們能夠定位和評估低密度和受損的混凝土區(qū)域，如混凝土中含有泥土夾雜物、礫石、膨潤土或蜂窩等，其傳播速度要低得多，信號的振幅和正弦形狀也會改變，因此能夠很容易的發(fā)現(xiàn)這些不規(guī)則的信號。

通常情況下，由于探頭在導測管內位置的變化、管子垂直度偏差及其他因素的影響，傳播時間在±20%內的變化都在超聲探測技術的正常誤差范圍內。根據(jù)建筑工業(yè)研究和情報協(xié)會(CIRIA) 144 號報告以及儀器制造商的規(guī)范說明，檢測到缺陷的定義是指，與周圍良好質量的混凝土區(qū)域相比，聲波的傳播時間增加了20%以上。聲波信號在一定的傳播時間內的強度，可用能量來顯示。信號衰減，或能量損失，是該區(qū)域混凝土質量差的標志，嚴重的混凝土質量缺陷會導致明顯的傳播時間的延長和相對能量的減少。基于此，Garland Likins 等人在2007 年曾提出了如下表2 所示的檢測結果分級表。

Table 2. Suggested CSL results scale表2. 跨孔超聲波檢測結果分級表

聲波圖是將所采集到的數(shù)據(jù)進行直觀顯示，可以將每個深度的每個數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)層層關聯(lián)起來。下面圖5 中，縱軸是樁的深度，橫軸是時間，象限內容表示接收機檢測到信號強度的相對能量。信號強度高表示傳播時間少，代表混凝土完整性較好，而信號強度低則表明混凝土質量差或樁存在缺陷。

需要注意的是，數(shù)據(jù)的后期處理時，還需要充分考慮檢測區(qū)域的地質環(huán)境和混凝土樁自身的內在因素，如配筋率、骨料的種類、粒徑和含量等都會影響波的傳播速度，應結合工程地質和施工情況來綜合判斷，這樣才能得出更接近實際情況的結論。

經(jīng)對所采集數(shù)據(jù)結果進行認真審核評估后，得出下表3 的結論和解釋：

試驗結果表明，試驗樁有效長度內未發(fā)現(xiàn)明顯異常。因此，試驗樁具有良好的混凝土整體性。

4. 結論

通過上述進行地下混凝土鉆孔咬合樁完整性檢測的過程可知，跨孔超聲波檢測技術作為一種先進的探測手段，有如下優(yōu)點：

1) 現(xiàn)場操作簡便、安全，檢測速度快，且不受長徑比和樁長限制，尤其適用于大樁徑和超長樁；

2) 高分辨率的圖像結果直觀可視，解讀相對容易；

3) 檢測結果準確度高，比低應變檢測法的結果更細致精確；

4) 能一次性準確測定多處混凝土缺陷的位置、大小、形狀、種類、嚴重程度等，為下一步的混凝土質量處理提供了可靠的依據(jù)；

5) 檢測基本無盲區(qū)，探頭能到達的區(qū)域均能檢測，包括樁頂?shù)蛷妳^(qū)和樁底沉渣區(qū)域，且不受地下水位高低影響；

6) 檢測質量缺陷的同時，還可估算混凝土的強度。