聲波透射法及低應(yīng)變法檢樁工程實(shí)例分析

劉 揚(yáng)

（吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院（吉林省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心），吉林 長春 130000）

0 引言

低應(yīng)變法由于操作方便，而且成本較低，成為施工驗(yàn)收檢測(cè)中廣泛采用的一種測(cè)定樁身完整性的方法。聲波透射法應(yīng)事先預(yù)埋聲測(cè)管，操作較低應(yīng)變法稍微復(fù)雜，但判定準(zhǔn)確性高，對(duì)于一些大直徑樁、承載力較高的不適合做靜載試驗(yàn)的樁（例如橋梁樁），經(jīng)常作為驗(yàn)收手段。

基樁作為常見的基礎(chǔ)形式，其成樁質(zhì)量對(duì)于保證工程的質(zhì)量和安全具有至關(guān)重要的作用。低應(yīng)變法及聲波透射法均為實(shí)際工程中經(jīng)常采用的測(cè)試基樁完整性的方法，除此之外基樁檢測(cè)方法還有鉆芯法、高應(yīng)變法、靜載試驗(yàn)等（靜載無法檢測(cè)完整性）。由于鉆芯法的操作比較復(fù)雜，多用于有爭(zhēng)議時(shí)的補(bǔ)充檢測(cè)驗(yàn)證[1]。

1 檢測(cè)原理對(duì)比

低應(yīng)變法是采用低能量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)激振方式在樁頂激振，實(shí)測(cè)樁頂部的速度時(shí)程曲線或速度導(dǎo)納曲線，通過波動(dòng)理論分析或頻域分析，對(duì)樁身完整性進(jìn)行判定的檢測(cè)方法。低應(yīng)變法適用于檢測(cè)混凝土樁的樁身完整性，判定樁身缺陷的程度及位置。它屬于快速普查樁的施工質(zhì)量的一種半直接法。低應(yīng)變法包括反射波法和機(jī)械阻抗法。

與靜載試驗(yàn)和鉆芯法等直接方法相比，低應(yīng)變法主要特點(diǎn)是檢測(cè)速度快、費(fèi)用低和檢測(cè)覆蓋面廣。如采用低應(yīng)變方法的抽檢比例一般占總樁數(shù)的20%以上，可降低直接法小比例抽測(cè)漏檢的概率，并得出樁基礎(chǔ)中所有基樁整體施工質(zhì)量的粗略估計(jì)。低應(yīng)變法已成為樁身施工質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用最為普及的方法。

樁完整性的反射波法診斷技術(shù)是以一維波動(dòng)理論為基礎(chǔ)。由一維波動(dòng)理論可知，樁阻抗是其橫截面積，材料密度和彈性模量的函數(shù)：

式中：Z為樁的廣義波阻抗，N·s/m；c為樁的聲波速度，m/s；E為樁的彈性模量，N/m2；ρ為樁的質(zhì)量密度，kg/m3；A為樁的面積，m2。

將一維波動(dòng)理論用于線彈性樁（樁的長度遠(yuǎn)大于樁的直徑且入射波波長大于樁的直徑）。在樁頂錘擊力作用下，產(chǎn)生一壓縮波，此波以波速c沿樁身向下傳播。假定樁的材料沿長度不變（即c不變），則樁的阻抗變化僅和截面積大小有關(guān)。截面的任何變化都使部分入射波產(chǎn)生反射。反射波和透射波的幅值大小及方向由前述的理論決定[2]。對(duì)低應(yīng)變曲線的完整性類別判定見表1。

表1 低應(yīng)變法樁身完整性判定[2]

聲波檢測(cè)一般是以人為激勵(lì)的方式向介質(zhì)（被測(cè)對(duì)象）發(fā)射聲波，在一定距離上接收經(jīng)介質(zhì)物理特性調(diào)制的聲波（反射波、透射波或散射波），通過觀測(cè)和分析聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)的聲學(xué)參數(shù)和波形的變化，對(duì)被測(cè)對(duì)象的宏觀缺陷、幾何特征、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行推斷和表征。而聲波透射法則是以穿透介質(zhì)的透射聲波為測(cè)試和研究對(duì)象的。

聲波透射法的檢測(cè)方式為：在樁內(nèi)預(yù)埋2根或2根以上的聲測(cè)管，再將發(fā)射、接收換能器分別置于兩管道中（如圖1所示）。檢測(cè)時(shí)聲波由發(fā)射換能器發(fā)射穿透兩管間混凝土后被接收換能器接收，實(shí)際有效檢測(cè)范圍為聲波脈沖從發(fā)射換能器到接收換能器所掃過的面積。根據(jù)發(fā)射和接收換能器高程的變化又可分為平測(cè)、斜測(cè)、扇形掃測(cè)等方式[3]。

圖1 灌注樁聲波透射法檢測(cè)方式示意圖

當(dāng)采用鉆芯法檢測(cè)大直徑灌注樁樁身完整性時(shí)，可能有2個(gè)以上的鉆芯孔。如果需要進(jìn)一步了解兩鉆孔之間的樁身混凝土質(zhì)量，也可以將鉆芯孔作為發(fā)、收換能器通道進(jìn)行跨孔透射法檢測(cè)。

新規(guī)范發(fā)布以來，對(duì)檢測(cè)方法有了新的調(diào)整。比如用聲測(cè)線這一參數(shù)代替了原來的測(cè)點(diǎn)。對(duì)于測(cè)量的密度也進(jìn)行了調(diào)整，從以前的25 cm測(cè)量1次變成了10 cm測(cè)量1次，使測(cè)量精度更高，更易發(fā)現(xiàn)較小的缺陷。此外，設(shè)備也在不斷進(jìn)步，以往的設(shè)備采用延續(xù)一發(fā)雙收的測(cè)量方法，有些設(shè)備需手動(dòng)采集，測(cè)量耗時(shí)較長。目前設(shè)備多采用自發(fā)自收的方式，測(cè)量速度有較大的提升，聲測(cè)線更加密集，測(cè)量效率仍很高。在數(shù)據(jù)的處理方面，也由原來的單邊剔除法改為雙邊剔除法。雙邊剔除法采用異常小、異常大……依次剔除的方法，標(biāo)準(zhǔn)差較單邊剔除法更小，更符合實(shí)際。通過大量的數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，雙邊剔除法可以有效降低由于聲速標(biāo)準(zhǔn)差較大而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)值判斷不準(zhǔn)確的情況。較好地減少了漏判樁身缺陷的情況，更安全適用，且更加合理。聲波透射法對(duì)基樁的完整性判別標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 聲波透射法樁身完整性判定[4]

表2為《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》JGJ 106—2014對(duì)完整性類別判定。自新規(guī)范發(fā)布以來，對(duì)聲波透射法判別基樁完整性類別的規(guī)定有了一定的調(diào)整，調(diào)整后分類更加細(xì)致。但是調(diào)整后的分類方法仍然無法達(dá)到量化，所以在檢測(cè)人員評(píng)判劃分時(shí)仍有一定的經(jīng)驗(yàn)成分。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程實(shí)例分析一

某在建工程，為跨河橋梁項(xiàng)目，基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁，擬采用沖擊成孔，本樁長22 m，樁徑1.3 m，樁身采用C30混凝土強(qiáng)度等級(jí)，采用預(yù)埋聲測(cè)管的方法，預(yù)埋3根聲測(cè)管?，F(xiàn)場(chǎng)采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)，再采用低應(yīng)變法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)。其中某樁的檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線見圖2～圖3（圖2為基樁3個(gè)斷面的剖面聲速-深度曲線、波幅-深度曲線；圖3為低應(yīng)變法檢測(cè)的曲線，現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)曲線比較穩(wěn)定，故選取其中1個(gè)作為例子）。

圖2 聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線

圖3 低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性

通過聲波透法檢測(cè)的聲速、波幅-深度曲線得出，基樁在-5 m處接收到的信號(hào)有輕微異常，聲速減小、波幅削弱，但尚能接收到完整的波形信號(hào)，故推測(cè)此處有離析等缺陷，初步評(píng)定基樁完整性類別在Ⅱ類～Ⅲ類柱范圍內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)又采用低應(yīng)變法對(duì)基樁完整性進(jìn)行檢測(cè)，基樁未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷反射，若無聲波透射法做對(duì)比，僅依靠低應(yīng)變法可能判為Ⅰ類樁。

通過工程實(shí)例分析，聲波透射法對(duì)缺陷的測(cè)定更加細(xì)致，較小的缺陷也能夠被發(fā)現(xiàn)，判定結(jié)果也更為嚴(yán)格。低應(yīng)變法較為直接，無明顯缺陷即可判為Ⅰ類樁。綜合分析原因有：①聲波透射法采用的超聲波進(jìn)行檢測(cè)，超聲波的波長和低應(yīng)變激振力產(chǎn)生的應(yīng)力波來比，波長更短，因此更能發(fā)現(xiàn)檢測(cè)中更小的缺陷；②聲波透射法的檢測(cè)頻率，相比低應(yīng)變來說要細(xì)，小缺陷也更能被檢測(cè)。因此，聲波透射法可以檢測(cè)出樁身的多處缺陷，而低應(yīng)變法很難達(dá)到。

在以后工程中如果同樣兩種方法檢測(cè)有偏差，建議用鉆芯、開挖等方法進(jìn)行直接驗(yàn)證[5]，或從嚴(yán)謹(jǐn)角度出發(fā)采用聲波法結(jié)論。

2.2 工程實(shí)例分析二

某跨河工程橋梁，為高鐵與體育場(chǎng)連接線工程，原址兩地之間有一河流隔斷，擬建項(xiàng)目為連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)橋，建成后連通高鐵站與體育場(chǎng)。橋梁采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長22 m，樁徑1 m～1.2 m，樁端持力層為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，樁身混凝土強(qiáng)度C30。設(shè)計(jì)要求采用聲波透射法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)埋聲測(cè)管3根。經(jīng)檢測(cè)選取某樁曲線，圖4為其聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線，圖5為其實(shí)測(cè)波列圖。

圖4 聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線（底部明顯缺陷）

圖5 實(shí)測(cè)波列圖（底部明顯缺陷）

通過聲波透法檢測(cè)的曲線分析，基樁上部樁身部分無明顯異常曲線，但在樁底存在明顯波形變化或接收不到波形。波形從該異常位置往下逐漸削弱，直至完全接收不到波形，聲速迅速減小，波幅削弱明顯，可以推斷底部樁身混凝土質(zhì)量較差。由于此現(xiàn)象比較普遍（大部分樁的檢測(cè)波形均為此），初步判斷是由于施工工藝引起的。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)論證會(huì)得出結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)樁底清孔效果差，是樁底沉渣，沉渣厚度約為1 m。（后續(xù)通過現(xiàn)場(chǎng)取芯法，發(fā)現(xiàn)鉆取到預(yù)定位置時(shí)，樁底部分無法取出完整混凝土，確定為樁底沉渣。這也證實(shí)了聲波透射法測(cè)量是比較準(zhǔn)確的）。

為了驗(yàn)證結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)又采用低應(yīng)變法對(duì)基樁完整性進(jìn)行檢測(cè)，圖6為低應(yīng)變法檢測(cè)波形，基樁未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷反射。由于低應(yīng)變法無法精確確定樁長，而樁身位置并無明顯缺陷，由此看出低應(yīng)變并無法檢測(cè)出樁底沉渣，僅依靠低應(yīng)變檢測(cè)容易誤判為Ⅰ類樁。

圖6 低應(yīng)變法檢測(cè)波形

2.3 工程實(shí)例分析三

某景觀橋，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式為梁式橋，共計(jì)3跨，中跨過1條小河，共4個(gè)承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)下3根灌注樁，總樁數(shù)12根，樁徑1 300 mm，樁長9 m～15 m，樁身混凝土強(qiáng)度C30。設(shè)計(jì)預(yù)埋3根聲測(cè)管，采用聲波透射法對(duì)其檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，所有樁在5 m處、11 m處波形均有明顯異常，波幅削弱、波速減小，且缺陷在每個(gè)剖面均有連續(xù)，初步判為Ⅳ類樁。詳見圖7～圖8（圖7為聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線，圖8為實(shí)測(cè)波列圖，圖示為其中某個(gè)樁的實(shí)測(cè)曲線，其他樁的實(shí)測(cè)曲線大體相同）。

圖7 聲波透射法聲速-深度曲線、波幅-深度曲線（兩處明顯缺陷）

圖8 實(shí)測(cè)波列圖（兩處明顯缺陷）

由于所有樁型均為相同位置處發(fā)現(xiàn)缺陷，起初推斷為地層原因引起相同位置樁身離析或縮頸。但對(duì)比地勘報(bào)告發(fā)現(xiàn)缺陷位置處并無明顯地層變化，且詢問現(xiàn)場(chǎng)施工情況表示灌注過程中并未發(fā)現(xiàn)異常，樁孔良好。又用低應(yīng)變法對(duì)樁身進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)樁身無明顯缺陷，詳見圖9。

圖9 低應(yīng)變法檢測(cè)波形（無明顯缺陷）

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，其聲測(cè)管在施工過程中，兩節(jié)聲測(cè)管相接處未按設(shè)計(jì)要求的連接方式，而是簡(jiǎn)單焊接后又纏塑料膠帶作為防水措施。故推斷是由于塑料膠帶使混凝土與聲測(cè)管粘接不好，導(dǎo)致信號(hào)被削弱，造成了誤判。鑒于可能造成誤判，又對(duì)其中兩處樁采取了鉆芯法檢測(cè)，抽芯后發(fā)現(xiàn)芯樣完好，并無離析、夾泥或其他缺陷。此工程的樁改判為Ⅰ類（現(xiàn)場(chǎng)取芯如圖10所示）。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)取芯照片

通過工程總結(jié)發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)變法受限制比較多，往往與現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)、水文環(huán)境、施工工藝、樁的養(yǎng)護(hù)、地層條件都有關(guān)系，要求檢測(cè)人員對(duì)多方條件有了充分的認(rèn)識(shí)才能對(duì)檢測(cè)結(jié)果有精準(zhǔn)的判斷。聲波透射法相對(duì)來說檢測(cè)較為準(zhǔn)確，但也有一定的局限性，例如聲測(cè)管本身安裝問題，管中有泥漿等都會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)，容易造成誤判。由于聲測(cè)管的限制，信號(hào)為兩個(gè)聲測(cè)管之間的，無法測(cè)得整個(gè)樁截面的完整性。

3 結(jié)語

本文主要分析了聲波透射法及低應(yīng)變法在工程中聯(lián)合測(cè)定的問題，文中的3個(gè)實(shí)例分析均為近年來的工程實(shí)例，聲波透射法和低應(yīng)變法所測(cè)量結(jié)果并不一定完全一致，兩者相輔相成互為參考。聲測(cè)法中發(fā)現(xiàn)的缺陷在低應(yīng)變法中不一定能體現(xiàn)出，但是聲測(cè)法由于其檢測(cè)方式，或可造成誤判，此時(shí)可用低應(yīng)變法進(jìn)行佐證，或結(jié)合其他手段進(jìn)行驗(yàn)證。有時(shí)往往需要結(jié)合多種情況進(jìn)行分析，最后才可得出正確的結(jié)論。期望本次研究能夠?qū)鶚稒z測(cè)技術(shù)有所裨益，提高檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性和可信度。