聲波透射法及鉆芯法在建筑樁基檢測中的應(yīng)用研究

陳育光

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

樁基礎(chǔ)屬于隱蔽工程， 如果施工質(zhì)量控制不當，可能造成建筑物產(chǎn)生坍塌、開裂等病害，甚至造成較大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。如何選擇經(jīng)濟合理的檢測方法以判定樁基礎(chǔ)的缺陷，是檢測人員要解決的關(guān)鍵問題[1]。因此，進一步研究聲波透射法及鉆芯法在建筑樁基檢測中的應(yīng)用意義重大。

1 建筑樁基檢測原理分析

目前， 基樁完整性檢測常用的方法主要是聲波透射法和鉆芯法[2]。

1.1 聲波透射法檢測原理

1.1.1 超聲波聲學(xué)特性

超聲波是指頻率大于20 kHz 的聲波，其用于樁基檢測時所涉及的判定參數(shù)主要有聲速和聲幅。 其中聲速是樁基完整性檢測中的一個相對穩(wěn)定的參數(shù)，主要受波的類型、介質(zhì)、檢測對象的邊界條件等因素的影響。聲幅是反映混凝土材料性能衰減的參數(shù)， 且隨著聲波傳播距離的增加而減小。樁身某一點的相對聲幅值A(chǔ)x可按式⑴計算[3]。

式中：px—第x 個測點的首波波幅值；p0—基準幅值。

1.1.2 超聲波檢測原理

探頭所發(fā)射的聲波會在發(fā)射端和接收端間形成聲場，當樁基完整性好時，最短傳播路徑可視為發(fā)射探頭間的直線距離，再根據(jù)聲波在兩測管間的傳播聲時（需扣除系統(tǒng)延遲時間），即可計算出其傳播聲速；當樁基內(nèi)部有斷裂、夾泥、離析等病害時，會破壞聲波傳播的連續(xù)性，聲波可能透過或繞過樁身缺陷傳播，使波速計算值偏小。此外，空氣和水的聲阻抗較小，聲波傳播過程中遇到蜂窩、空洞等中間有空氣的缺陷界面將產(chǎn)生反射現(xiàn)象，使得聲能衰減，聲波波幅降低。

1.2 鉆芯法檢測原理

鉆芯法是利用鉆機沿著建筑樁基內(nèi)側(cè)鉆取混凝土芯樣的一種巖芯鉆探技術(shù)，適用于大直徑的鉆孔灌注樁。 檢測人員根據(jù)芯樣的外觀、抗壓強度測試結(jié)果等綜合判定樁身完整性。 相對于聲波透射法， 鉆芯法能更直觀的觀察樁基內(nèi)部的混凝土質(zhì)量，但是鉆芯法設(shè)備復(fù)雜、成本較高，會破壞樁體，且“以點代面”，取樣部位有限，盲區(qū)較大，易產(chǎn)生誤判或漏判。

2 建筑樁基檢測方案要點分析

2.1 聲波透射法檢測樁基的技術(shù)要點

2.1.1 樁頭處理

在檢測前要將樁頂松散、破損的混凝土進行鑿除，破出堅硬混凝土面，并將樁頂外露的主筋切割掉，防止干擾正常波形。

2.1.2 聲測管設(shè)計

聲測管是徑向換能器的通道， 應(yīng)沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)對稱布置，并沿順時針方向依次編號，如圖1 所示[4]。

圖1 建筑樁基聲測管布置示意

根據(jù)JGJ 106—2014 《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》，建筑樁基內(nèi)聲測管布置數(shù)量取決于樁徑D。當D≤0.80 m、0.8 m＜D≤1.6 m、1.6 m＜D≤2.5 m 時，樁基內(nèi)部應(yīng)分別至少布置2 個、3 個、4 個聲測管；如果樁徑超過2.5 m 時，應(yīng)增加聲測管數(shù)量。

此外，基樁檢測所選用聲測管的強度和剛度應(yīng)滿足設(shè)計要求， 以免混凝土灌注時擠壓聲測管變形，無法放入超聲波探頭。 目前，建筑基樁檢測常用的聲測管有鋼管、鋼波紋管、PVC 管等。 鋼管安裝方便，但價格較貴，一般用在大直徑灌注樁檢測中；鋼波紋管管壁薄、抗?jié)B性好、強度高，可直接綁扎在鋼筋籠主筋上， 在樁基檢測這種應(yīng)用最多；PVC 塑料管聲阻抗率較低，常用于小直徑灌注樁[5]。

2.1.3 標定延遲時間

為了準確計算聲波在聲測管之間的傳播聲時，需要對測定系統(tǒng)延遲時間進行準確標定，具體措施如下：①將發(fā)射、接收換能器平行地放入清水中；②不斷改變點源距離，測出相應(yīng)聲時，繪制時距曲線；③按式（2）計算聲時t。

式中：t0—時間軸截距，us；b—斜率，us/mm；l—換能器中心間距，mm。

2.1.4 樁基完整性判定方法

利用聲速判斷樁身缺陷時， 可使用低限值法，見式（3）。 需注意，該方法要求聲速測量值的波動不大。

式中：Vi—第i 個測點的聲速值，km/s；VL—聲速低限值，km/s。 當滿足式（3）時，說明該樁基第i 個測點位置有缺陷。

當測量振幅小于振幅臨界值時，樁身可能存在缺陷，具體計算方法見式（4）和（5）。

式中：n—測點個數(shù)；AD、Am—分別為聲幅臨界值和聲幅平均值，dB；Ai—第i 個測點聲幅值，dB。

PSD 判據(jù)建立了測線深度與時間線之間的函數(shù)關(guān)系。這表明：當聲時發(fā)生變化，PSD 也將發(fā)生大幅變化。因此，PSD 判據(jù)對建筑樁基的缺陷較敏感，還可排除因聲測管不平行所引起的誤差。

2.2 鉆芯檢測樁基的技術(shù)要點

2.2.1 鉆孔數(shù)量和位置

鉆芯用于檢測樁基完整性時， 鉆孔數(shù)量應(yīng)根據(jù)樁徑D 確定。當D＜1.2 m、1.2 m≤D≤1.6 m、D＞1.6 m，樁基應(yīng)分別至少鉆1～2 個孔、2 個孔、3 個孔。 如果鉆芯是為了對樁身質(zhì)量、檢測樁底沉渣或樁端持力層進行驗證檢測時，每根受檢樁可只鉆1 個孔。

當樁基鉆1 個孔，鉆孔位置宜距樁中心10～15 cm；當樁基鉆孔數(shù)超過2 個， 鉆孔位置宜在距樁中心（0.15～0.25）D 的范圍內(nèi)對稱布置。

2.2.2 鉆進要求

建筑樁基鉆芯時要保證鉆機設(shè)備穩(wěn)固、底座水平，在鉆芯過程中禁止發(fā)生傾斜、移位，鉆芯孔垂直度偏差≤0.5%。同時，每次鉆孔進尺宜＜1.5 m，鉆至樁底時，宜采取減壓、慢速鉆進等措施[6]。

2.2.3 芯樣抗壓強度

建筑樁基的鉆孔芯樣抗壓強度測定應(yīng)結(jié)合GB 75081—2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》，抗壓強度fcor計算見式（6）。

式中：P—混凝土芯樣破壞荷載，N；d—試件直徑，mm。

3 建筑樁基檢測具體案例

3.1 工程概況

受業(yè)主委托，對廣州市白云區(qū)某建筑項目的樁基礎(chǔ)進行聲波透射法和鉆芯檢測，以確定樁基的完整性。 檢測工程樁的編號為73#，設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 檢測樁的設(shè)計施工資料

3.2 檢測結(jié)果分析

3.2.1 聲波透射法檢測結(jié)果

聲波透射法對73# 樁基的聲速和聲幅檢測結(jié)果見表2。

表2 樁身質(zhì)量完整性檢測結(jié)果

3.2.2 鉆芯法檢測結(jié)果

鉆芯法的檢測結(jié)果判定， 該樁基完整性為Ⅰ類，混凝土芯樣抗壓強度代表值為44.4 MPa，滿足設(shè)計要求；檢測樁長與施工記錄一致；但樁底沉渣較厚，不滿足設(shè)計要求。

綜合73# 樁的鉆芯法檢測和聲波透射法檢測結(jié)果可知，兩種檢測方法對樁身缺陷位置的評判基本相符，均為樁底位置出現(xiàn)缺陷。 后經(jīng)反復(fù)排查，發(fā)現(xiàn)該樁清孔完成后，泵站供料不及時，使清孔間隔6 h 后才開始灌注混凝土，導(dǎo)致泥漿出現(xiàn)沉積或孔壁泥土坍落在樁底，從而造成樁底沉渣過厚。 經(jīng)與設(shè)計單位溝通，提出了樁底沉渣清孔、并注漿補強的處置方案。

4 結(jié)論

（1）超聲波檢測建筑樁基缺陷時，其判定參數(shù)有聲速、波幅及PSD。

（2）利用超聲波技術(shù)檢測樁基前要破樁頭，并按設(shè)計文件和現(xiàn)行規(guī)范要求埋設(shè)聲測管，并標定系統(tǒng)延遲時間。

（3）鉆芯法檢測時要嚴格控制鉆孔數(shù)量、鉆孔位置、鉆孔垂直度，并利用萬能試驗機測定混凝土芯樣的抗壓強度。

（4）技術(shù)人員應(yīng)從完整性、混凝土芯樣強度、樁底沉渣等方面綜合判定建筑樁基的使用性能，如存在不滿足設(shè)計要求的地方，應(yīng)及時查明原因，采取相應(yīng)的控制措施。