塑鋼復(fù)合管的聲波透射性能試驗(yàn)研究

楊大順 （1.安徽建工檢測科技集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 引言

在樁基檢測的聲波透射法檢測中，工程上一般采用鋼管作為傳統(tǒng)的聲波管，而鋼管壁厚沒有統(tǒng)一規(guī)定，實(shí)際使用中厚薄均有，《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）中關(guān)于聲測管的要求也僅僅是“有足夠的徑向剛度”“若采用鋼管、鍍鋅管等管材，則不宜采用PVC管”等簡單的描述。實(shí)際使用中通常使用普通腳手架鋼管，雖然有的項(xiàng)目采用穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線的波紋管，但是此類管材造價(jià)較高，一些工程會使用壁厚較薄的非標(biāo)鋼管。此舉雖然可以降低造價(jià)，但同時(shí)也會因鋼管剛度不夠引起鋼管變形，進(jìn)而導(dǎo)致聲測探頭無法穿過變形處，從而檢測失敗。甚至?xí)霈F(xiàn)探頭下放時(shí)能勉強(qiáng)通過管材變形處，但是上升過程中卻無法取出探頭的檢測事故。

基于壁厚較厚的鋼管成本高，而壁厚較薄的鋼管易變形，本文選取了塑鋼復(fù)合管與同壁厚的普通鋼管，分別在混凝土灌注樁中和自然水體中進(jìn)行比對試驗(yàn)，以驗(yàn)證塑鋼復(fù)合管在工程應(yīng)用中的可行性和聲學(xué)比對特點(diǎn)。

1 所用管材

本次灌注樁中測試和自然水體中的聲測管測試，所用的塑鋼復(fù)合管為外層PEG+內(nèi)層鋼管，所用的鋼管即為普通鋼管，詳細(xì)測量參數(shù)見表1。

2 測試儀器

本次測試采用某公司生產(chǎn)的MC-6360 基樁多跨孔超聲波自動(dòng)循測儀，檢測系統(tǒng)聲時(shí)測讀精度為±0.1us，聲幅準(zhǔn)確度相對誤差≤3%。

3 測試原理

聲波透射法的原理是由超聲脈沖發(fā)射源在被測材料內(nèi)激發(fā)高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在材料內(nèi)傳播過程中表現(xiàn)的波動(dòng)特性。當(dāng)被測材料內(nèi)的材料特性發(fā)生變化時(shí)（存在不連續(xù)、破損界面或特別密實(shí)體，界面形成波阻抗界面），即會產(chǎn)生波的透射和反射，使接收到的透射波能量發(fā)生變化；當(dāng)被測材料內(nèi)存在松散、蜂窩、孔洞等嚴(yán)重缺陷時(shí)，將產(chǎn)生波的散射和繞射，致使波傳播的時(shí)間變長、波幅變?。划?dāng)被測材料內(nèi)存在優(yōu)于原材料的傳聲物體時(shí)，波速將會變快，波的傳播的時(shí)間將會縮短，波幅變大。

測試過程中，兩個(gè)探頭之間的被測材料內(nèi)，需設(shè)置聲測管作為探頭的通道（混凝土中管材作為保留探測通道的模板），聲測管內(nèi)以水作為耦合介質(zhì)，超聲脈沖信號從一個(gè)探頭中發(fā)射出去，穿過探頭之間的各種材料介質(zhì)，在另一個(gè)探頭中接收信號。假設(shè)由探頭A、探頭B進(jìn)行測試，則聲波信號傳播的路徑為探頭A 發(fā)射→探頭A 和管材內(nèi)壁間水的傳播→管材內(nèi)傳播（管壁）→被測材料內(nèi)傳播→管材內(nèi)傳播（管壁）→管材內(nèi)壁和探頭B 間水的傳播→探頭B 接收。聲波信號所傳播的路程為S1+S2+S3+S4+S5，其中S1、S5 表示管材內(nèi)壁和探頭間距，S2、S4 表示管壁的壁厚，S3 表示被測材料的距離（聲測管的外壁間凈距）。測試系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖1 現(xiàn)場聲測管樁內(nèi)安裝效果（4根塑鋼復(fù)合管和4根普通鋼管）

圖2 4根聲測管（上部2根塑鋼復(fù)合管，下部2根普通鋼管）

圖3 塑鋼復(fù)合管和普通鋼管的截面

圖4 聲波透射法測試示意圖

在基樁中測試時(shí)，需在施工前根據(jù)需求來埋設(shè)預(yù)定數(shù)量的聲測管作為探頭的通道。每兩根測試的聲測管為一組，通過水的耦合，超聲脈沖信號從一根聲測管中的探頭中發(fā)射出去，在另一根聲測管中的探頭接收信號，超聲儀測定有關(guān)參數(shù)并采集、存儲。探頭由樁底同步往上提升，測試遍及整個(gè)截面。測試系統(tǒng)框圖見圖5。

圖5 樁內(nèi)聲波透射法測試系統(tǒng)示意

以上基本原理為只存在兩個(gè)探頭的情況，則會產(chǎn)生一個(gè)剖面AB的測試信號，當(dāng)樁基直徑較大，則會使用A、B、C三個(gè)或者A、B、C、D四個(gè)探頭同時(shí)進(jìn)行測試。當(dāng)A、B、C 三個(gè)探頭同時(shí)測試時(shí)，會有AB、AC、BC三個(gè)剖面的測試信號；當(dāng)A、B、C、D 四個(gè)探頭同時(shí)測試時(shí)，會有AB、AC、AD、BC、BD、CD六個(gè)剖面的測試信號。

4 測試實(shí)施細(xì)則

4.1 灌注樁中測試

本次測試的基樁，選擇實(shí)際工程應(yīng)用的高架橋混凝土灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30，施工樁長為23.5m，樁身直徑為1500mm，通過安裝于樁身內(nèi)的8 根聲測管（4 根塑鋼復(fù)合管和4 根普通鋼管）進(jìn)行測試。聲測管的埋設(shè)示意見圖6，其中A、B、C、D 編號屬塑鋼復(fù)合管，1、2、3、4 編號屬普通鋼管。通過現(xiàn)場量測，各聲測管外壁間凈距如表2。

圖6 樁內(nèi)聲測管埋設(shè)示意

圖7 灌注樁中現(xiàn)場測試照片

表2 聲測管的外壁間凈距

現(xiàn)場使用同一臺測試儀器，分兩次進(jìn)行測試，先后采集不同管材的聲波信號。測試過程中4 個(gè)探頭下放到樁底，核對所有探頭的高度在同一水平面上后，記錄測試深度，由樁底同步向上提升，測試全部樁身截面。分別采集塑鋼復(fù)合管的聲測信號和普通鋼管的聲測信號，現(xiàn)場在測試儀器上初步對信號進(jìn)行比對，以驗(yàn)證信號的可使用性和多次信號之間的高度重復(fù)性，然后將測試儀器內(nèi)的信號導(dǎo)出至電腦的分析軟件中。

室內(nèi)下載測試信號后做詳細(xì)比對，通過測試曲線的比較（測試結(jié)果見表3），兩種材質(zhì)的管材所測得的聲波信號均可以清晰地反映樁身的聲學(xué)參數(shù)，波形均沒有明顯畸變，兩種情況下波速、波幅比較一致，聲速相互有高低但最大相差也不超過5%。塑鋼復(fù)合管的6 個(gè)剖面聲速平均值為4.034km/s，普通鋼管的6 個(gè)剖面聲速平均值為4.020km/s，平均值的相差僅為3%；而塑鋼復(fù)合管的6 個(gè)剖面聲幅平均值為112.69dB，普通鋼管的6 個(gè)剖面聲幅平均值為112.12dB，此項(xiàng)平均值的相差更小，僅為0.5%。

表3 樁中測試結(jié)果表

圖8 不同管材固定到框架上、安裝聲波探頭

因混凝土材料局部的不均一性，雖然試驗(yàn)證明兩種材質(zhì)的管材均可以適用工程應(yīng)用，在測試中的材料差異產(chǎn)生的影響占比較小，聲學(xué)參數(shù)整體而言差異性很小，因而不太能體現(xiàn)出整體上的應(yīng)用差別，但兩種材質(zhì)的管材均滿足一般使用要求，為未來大規(guī)模使用在經(jīng)濟(jì)上的對比性奠定了基礎(chǔ)。

4.2 水中測試

本次測試的環(huán)境，選擇一處自然水體，通過事先制作的木制框架（框架尺寸為1.6m×0.6m），將兩種管材分別固定到框架上，探頭放置在管材的中間部位后，再將框架整體置入水中1m 深（探頭深度為0.5m）進(jìn)行測試，采集不同管材在固定間距情況下的聲學(xué)參數(shù)，分別進(jìn)行1000mm 和600mm 間距的測試并進(jìn)行比對，結(jié)果如表4所示。

表4 水中測試結(jié)果表

圖9 框架整體入水測試狀態(tài)照片

通過比較，兩種材質(zhì)的管材所獲得的波形均沒有明顯畸變。其中聲時(shí)和平均速度基本一致，但由于塑料材質(zhì)的聲阻抗較低，其聲阻抗介于混凝土和水之間，具有較大的透聲率，致使波幅提高3%～7%。

5 結(jié)論

通過在混凝土灌注樁中的比對測試，塑鋼復(fù)合管能夠滿足一般混凝土中的聲測應(yīng)用，測試所得結(jié)果與使用普通鋼管一致，測試波形以及聲學(xué)參數(shù)均沒有明顯畸變；通過在水體中的比對測試，塑鋼復(fù)合管的聲學(xué)參數(shù)優(yōu)于普通鋼管，塑料材質(zhì)的聲阻抗較低，其聲阻抗介于混凝土和水之間，具有較大的透聲率，致使波幅有3%～7%的提高。

6 結(jié)束語

針對塑鋼復(fù)合管在灌注樁中的應(yīng)用，尤其是大型灌注樁中的使用，應(yīng)增加經(jīng)驗(yàn)的積累。因?yàn)榇笾睆綐缎韫嘧⒋罅炕炷?，水泥的水化熱不宜發(fā)散，鑒于塑料的熱膨脹系數(shù)與混凝土以及鋼材之間有差異、剛度與鋼材不同、與混凝土的握裹力不詳?shù)仍?，混凝土凝結(jié)后塑料管因溫度下降可能產(chǎn)生徑向和縱向收縮，使其可能與混凝土、鋼材之間局部脫開而造成空氣或水的夾縫，在聲測路徑上增加了反射、散射的界面，對檢測不利。此理論上的可能性，尚需要今后更多工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以驗(yàn)證塑鋼復(fù)合管的安裝性能。