聲波透射法在基樁檢測中的應(yīng)用

林超

（廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司，廣東 廣州 510440）

1 前言

隨著科技的不斷發(fā)展和國家對基礎(chǔ)建設(shè)的大力支持，我國住宅建設(shè)日益增多。樁基作為房屋的基礎(chǔ)部分，隨著工藝的不斷提高已經(jīng)朝著超長、大直徑樁施工的方向進(jìn)行發(fā)展，因此鉆孔灌注樁這種樁基施工方法備受施工方青睞。由于鉆孔灌注樁制造過程的多階段和復(fù)雜性，以及其結(jié)果對人為因素的依賴性，在鉆孔灌注樁中會出現(xiàn)各種缺陷：無混凝土區(qū)、孔隙、混凝土強(qiáng)度下降、天然土夾雜等[1]。在制造過程中，由于樁基在長度、連續(xù)性、形狀、直徑、混凝土強(qiáng)度等設(shè)計(jì)特性上的偏差，導(dǎo)致樁基承載能力的損失和橋梁、基礎(chǔ)的沉降，甚至是建筑物和結(jié)構(gòu)的破壞。傳統(tǒng)的靜荷載樁試驗(yàn)、高應(yīng)變動力試樁作為最具代表性的試驗(yàn)，只能確定樁的承載力，無法保證樁作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，這也是國際標(biāo)準(zhǔn)對鉆孔灌注樁鉆孔完整性控制的原因[2]。因?yàn)橹苯訖z測的方法包括傳統(tǒng)方法的樁基檢測、取樣和實(shí)驗(yàn)室的后續(xù)檢測等方法，不但耗時(shí)而且昂貴。因此，有必要研究一種價(jià)格低廉并且不會破壞混凝土結(jié)構(gòu)的檢測方法，以方便快速了解樁基的完好程度。

樁安裝質(zhì)量的主要要求是：符合幾何參數(shù)、混凝土連續(xù)性和混凝土強(qiáng)度符合聲明參數(shù)[3]。世界范圍內(nèi)的實(shí)踐提出了對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量測試的各種方法，幾乎所有這些方法都基于兩種方法：聲波檢測和反射波檢測[4]。低應(yīng)變反射波法由于發(fā)射能量低，遇到缺陷衰減快，不利于測試深大樁基。聲波透射法因其不受樁長、樁徑條件限制，結(jié)果直觀可靠而廣泛應(yīng)用于混凝土基樁檢測。本文闡述了聲波透射法檢測的原理，討論了檢測數(shù)據(jù)的處理和評判依據(jù)，并利用工程實(shí)例進(jìn)行了分析。

2 聲波透射法檢測的原理

聲波透射法是指利用聲波的透射作用，對材料的整體完好性進(jìn)行檢測，并可以直接基于反射波形得到相對準(zhǔn)確的檢測結(jié)果[5]。當(dāng)聲波通過非均勻性材料時(shí)，反射波形會產(chǎn)生一定的變化，從而可以根據(jù)其變化推斷材料內(nèi)部為何種缺陷，如破樁、夾泥、密實(shí)度不足等。該方法檢測樁身構(gòu)造完整性的基本原理為：通過聲波脈沖發(fā)射器向混凝土中發(fā)射高頻彈性脈沖信號，當(dāng)波觸及混凝土缺陷后，由于波在缺陷內(nèi)部透射與反射，可明顯減少所收集到的透射能量。當(dāng)建筑物內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)疏松、蜂窩、空洞等嚴(yán)重問題時(shí)，就會出現(xiàn)聲波散射和衍射，而通過波形的第一波的頻率、波形的功率衰減特征、時(shí)間變化規(guī)律以及波形畸變情況等，就能夠得到該部位建筑物的結(jié)構(gòu)密實(shí)性數(shù)據(jù)以及不同側(cè)面、不同層次的聲波特性。這樣就可以得出混凝土參考強(qiáng)度以及內(nèi)部缺陷的所有位置信息和特征。

3 檢測數(shù)據(jù)處理與判斷

3.1 聲速概率法

混凝土由于自身特性而具有不均勻性，因此聲速測試的數(shù)值會出現(xiàn)符合正態(tài)分布的離散。但在混凝土缺陷處會導(dǎo)致聲速降低而出現(xiàn)不符合正態(tài)分布的異常值。因此，確定聲速臨界值時(shí)應(yīng)該基于其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，否則可能導(dǎo)致由于聲速平均值過小而被誤判的情況出現(xiàn)。聲測值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)計(jì)算如式（1）～（3）。

式中Vm為聲測值的平均值；Vi為第i個(gè)測點(diǎn)的聲測值；n為測點(diǎn)數(shù)；Sx為聲測值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；CV為聲測值的變異系數(shù)。

當(dāng)聲測值不大于V0時(shí)，該數(shù)據(jù)予以剔除，直到剩余的數(shù)據(jù)均大于V0時(shí)，V0作為異常判斷臨界值Vc，按式（4）計(jì)算。

式中λ為參數(shù)，由中值濾波檢測值查表得；V0為聲速異常判斷值。

3.2 PSD判據(jù)

在現(xiàn)場測試中，可能會受諸多因素的影響，不同樁號的鉆孔灌注樁內(nèi)混凝土的均勻性具有一定的差異性，因此聲波接收的時(shí)間也是相對離散的，并且考慮到鋼筋籠的影響，聲測管可能存在一定的位移，這會導(dǎo)致實(shí)際測量值產(chǎn)生或大或小的波動。針對上述問題，通常采用PSD方法，其計(jì)算方法見式（6）。

式中ti，ti-1為相鄰兩個(gè)測點(diǎn)的聲時(shí)值；zi，zi-1為相鄰兩個(gè)測點(diǎn)的深度值。

4 工程實(shí)例

4.1 儀器設(shè)備

檢測儀器設(shè)備采用武漢巖海公司制造的RS-ST06D（T）非金屬聲波檢測儀（編號JM018）、跨孔換能器Φ25等。檢測儀器設(shè)備現(xiàn)場連接如圖1所示。

圖1 基樁聲波透射法檢測示意圖

4.2 工程概況

本工程位于K0+460～K0+500段混凝土鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長37.507～44.507m，樁徑為Φ1200mm，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C40，樁端持力層為中風(fēng)化砂巖。

4.3 檢測方法

4.3.1 混凝土樁聲波傳播檢測方式

根據(jù)聲波換能器通道在樁身布置，采用樁跨孔傳播的檢測方法，樁聲波傳播檢測示意圖如圖2所示。

圖2 樁聲波傳播檢測示意圖

4.3.2 聲波管道鋪設(shè)要求

灌注樁中加設(shè)聲測管具有嚴(yán)格的要求，過少會導(dǎo)致檢測的有效范圍降低，甚至無法有效地判斷樁基質(zhì)量，對工程帶來重大安全隱患；聲測管數(shù)量過多，盡管會提高檢測精度，但是這需要增加更多的經(jīng)濟(jì)成本。此外，對于一根灌注樁來說，聲測管數(shù)量增加意味著樁內(nèi)混凝土含量減少，這可能會導(dǎo)致設(shè)計(jì)承載力無法達(dá)到要求?！督ㄖ鶚稒z測技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定了D＞2000mm時(shí)，應(yīng)埋設(shè)4根聲測管。聲測管編號以正北方向順時(shí)針開始第一根管為A或1，并依次編號為A、B、C、D或者1、2、3、4，聲測管編號見圖3所示。

圖3 聲測管埋管分布示意圖

4.4 現(xiàn)場實(shí)測

所測試基樁樁徑1200mm，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)埋設(shè)3根聲測管。聲測管編號分別為A，B，C點(diǎn)，聲測管按等邊三角形均勻布置（構(gòu)成3個(gè)聲測剖面）。測量兩相鄰聲測管外壁間的距離，數(shù)據(jù)如下：A-B剖面測距730mm，B-C剖面測距730mm，A-C剖面測距730mm。

對QL1樁和QL2樁通過聲波透射法進(jìn)行測試，本工程樁身質(zhì)量檢測結(jié)果如表2所示。

通過表1各個(gè)參數(shù)可知：A-B，A-C，B-C剖面各個(gè)參數(shù)沒有發(fā)現(xiàn)異常，且三個(gè)剖面形均不存在畸變，因此，根據(jù)規(guī)范可以將QL1號樁評為I類樁。同理，通過表1可知：A-C、B-C剖面于0.2～0.4m處測點(diǎn)聲學(xué)參數(shù)異常，有輕微缺陷，樁身基本完整。根據(jù)規(guī)范將QL2號樁評為Ⅱ類樁。

表1 樁身質(zhì)量完整性檢測結(jié)果表

5 結(jié)論

樁基礎(chǔ)是減少建筑物沉降的有效方法之一，鉆孔灌注樁樁身的質(zhì)量直接影響工程的安全運(yùn)營。聲波透射法是如今基礎(chǔ)工程中應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)之一，掌握聲波透射法的原理和使用對工程實(shí)際具有重要作用。本文通過對聲波透射法的理論闡述以及實(shí)際工程的運(yùn)用，得出以下結(jié)論：

1.實(shí)測QL1樁為I類樁，QL2樁為II類樁。試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效，一定程度上避免了使用完整性不符合要求的樁，防止工程事故的發(fā)生。

2.在目前的無損檢測方法中，聲波透射法對于缺陷部位具有較高的敏感可靠性。特別是對于多個(gè)缺陷樁，可以在不相互影響的情況下，準(zhǔn)確地獲得每個(gè)缺陷的位置及嚴(yán)重程度。