基于聲波透射法的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在橋梁樁基檢測(cè)中的應(yīng)用研究

史耀華SHI Yao-hua

（甘肅省交通投資管理有限公司，蘭州 730000）

0 引言

樁基作為建筑物的重要承載組件，能夠有效地將建筑物的荷載傳遞至地基，從而確保建筑物的穩(wěn)定性。然而，樁基的質(zhì)量控制在地基工程中占據(jù)非常重要的地位，它直接關(guān)系到建筑物的安全與使用壽命。在樁基施工過(guò)程中，由于環(huán)境等自然因素的干擾，可能會(huì)導(dǎo)致樁基出現(xiàn)如樁身斷裂、裂縫、不良變形等質(zhì)量問(wèn)題。傳統(tǒng)的樁基檢測(cè)方法，受限于工程量大、費(fèi)用高昂、操作周期長(zhǎng)等不足，亟需改進(jìn)與優(yōu)化。聲波透射法作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)，其理論基礎(chǔ)源于聲波在不同介質(zhì)間的折射與反射特性。通過(guò)精確識(shí)別聲波的傳播軌跡與變化特征來(lái)精準(zhǔn)探測(cè)目標(biāo)物內(nèi)部的缺陷與損傷。其基本原理是利用一組收發(fā)信器發(fā)射聲波至被檢測(cè)物體，并通過(guò)測(cè)量聲波的反射、折射及透射等參數(shù)，如時(shí)間和能量，以解析物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。聲波透射法不僅能以非破壞性和非接觸性的方式對(duì)樁基內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面深入的探測(cè)，而且支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為橋梁的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

1 聲波透射法無(wú)損檢測(cè)技術(shù)原理

聲波透射檢測(cè)法的基本原理是利用聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)的特性變化來(lái)揭示材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。具體來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)聲波在材料中傳播并遭遇到內(nèi)部的缺陷或結(jié)構(gòu)變異時(shí)，聲波的傳播特性如：聲速、聲強(qiáng)、頻率等，關(guān)鍵參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。借助于精密測(cè)量這些參數(shù)的變化情況，能夠精準(zhǔn)推斷出材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其物理性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的非破壞性、精準(zhǔn)化的質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)估。這一方法的基本原理如圖1 所示，而其詳細(xì)的工作流程則可見(jiàn)圖2[1]。

圖1 超聲波透射法檢測(cè)樁身結(jié)構(gòu)完整性原理圖

圖2 聲波透射法的工作過(guò)程

2 工程案例

2.1 工程概況

某特大橋全橋上部采用2×30＋（86＋2×160＋86）＋5×26m/2×28＋（86＋2×160＋86）＋2×26m 預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)＋鋼混組合梁，橋梁全長(zhǎng)679/619m，最大橋高約130m，下部采用柱式墩、柱式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，現(xiàn)對(duì)大橋樁基采用聲波透射法進(jìn)行了完整性檢測(cè)[2]。

2.2 檢測(cè)依據(jù)

中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》JTG/T3512-2020。

2.3 測(cè)試方法

首先，將超聲脈沖發(fā)射換能器和接收換能器放置于之前已經(jīng)埋設(shè)的聲測(cè)管中，并確保管內(nèi)充滿清水，以此作為聲波傳遞的優(yōu)質(zhì)耦合介質(zhì)。在檢測(cè)環(huán)節(jié)中，確保發(fā)射換能器與接收換能器保持水平對(duì)齊，并進(jìn)行精確的同步測(cè)量操作。同時(shí)，系統(tǒng)地采集并記錄各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的關(guān)鍵物理參數(shù)，如聲時(shí)和波幅等，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。當(dāng)檢測(cè)到波幅或聲速出現(xiàn)異常（可能意味著該處存在潛在缺陷）時(shí)，需要在該測(cè)量點(diǎn)附近增加測(cè)量密度。為提高檢測(cè)精度，可以采用多點(diǎn)發(fā)射，并在不同深度進(jìn)行接收的扇形測(cè)量法，或者實(shí)施高差同步的水平測(cè)量、斜向測(cè)量以及扇形掃描測(cè)量。這些測(cè)量方法的具體示意圖可參見(jiàn)圖3[3]。

圖3 平測(cè)、斜測(cè)和扇形掃測(cè)示意圖

2.4 檢測(cè)儀器

檢測(cè)儀器如表1 所示。

表1 主要儀器設(shè)備一覽表

2.5 樁基平面圖及聲測(cè)管

大橋樁基編號(hào)及平面圖見(jiàn)圖4；聲測(cè)管編號(hào)按路線前進(jìn)方向頂點(diǎn)位置為A（1），順時(shí)針依次為B（2）、C（3）……以此類推如圖5 所示。

圖4 大橋樁基編號(hào)及平面圖

圖5 聲測(cè)管編號(hào)示意圖

2.6 判定標(biāo)準(zhǔn)

①Ⅰ類樁：指所有測(cè)量點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)均處于正常范圍，且接收到的波形也保持正常狀態(tài)。②Ⅱ類樁：在一個(gè)或多個(gè)剖面中，存在多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的多個(gè)聲參量出現(xiàn)輕微異常，這些異常在深度和徑向方向上形成較小的區(qū)域。③Ⅲ類樁：在某一深度范圍內(nèi)，一個(gè)或多個(gè)剖面中存在多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的多個(gè)聲參量明顯異常，這些異常在深度或徑向方向上形成較大的區(qū)域。④Ⅳ類樁：在某一深度范圍內(nèi)，多個(gè)剖面上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的個(gè)別或多個(gè)聲參量異常嚴(yán)重，這些異常在深度或徑向方向上形成很大的區(qū)域。[4]

2.7 問(wèn)題樁施工過(guò)程分析

在9 號(hào)樁的澆注作業(yè)中，當(dāng)采用導(dǎo)管澆注技術(shù)澆筑至距離樁頂大約15m 的位置時(shí)，觀察到混凝土的使用量出現(xiàn)了輕微的增長(zhǎng)，具體情況可參見(jiàn)圖6 的詳細(xì)展示。

圖6 9 號(hào)樁的高程——聲速（波幅，PSD）圖

2.8 問(wèn)題樁數(shù)據(jù)分析

根據(jù)曲線圖分析，發(fā)現(xiàn)在15m 至19m 的深度范圍內(nèi)，波速和波幅顯著偏低，且波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，如圖7 所清晰展示。以AB 面為參考，針對(duì)缺陷較為明顯的AC 面進(jìn)行了詳細(xì)檢測(cè)。采用概率法和半波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出如表2 所示的結(jié)果。

表2 聲速與波幅參數(shù)

圖7 9 號(hào)樁缺陷處的波列圖

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，在17.3m 至38.9m 的深度范圍內(nèi)，聲速接近或達(dá)到聲速的限定值。特別是在17.3m 和17.5m 這兩個(gè)深度點(diǎn)，聲速甚至低于限定值。同時(shí)，波幅在17.3m 至18.9m 的九個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，前七個(gè)點(diǎn)的波幅均低于波幅限定值。考慮到此樁僅在AC 面存在較為嚴(yán)重的問(wèn)題，而AC、BD 兩個(gè)主要截面并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，綜合以上分析，該樁被判定為Ⅲ類樁。針對(duì)此類問(wèn)題，建議采取壓漿處理措施以進(jìn)行修復(fù)。

2.9 鉆芯取樣驗(yàn)證

鑒于施工方對(duì)先前的檢測(cè)結(jié)果存疑，為進(jìn)一步驗(yàn)證，決定采用鉆芯取樣方法進(jìn)行確認(rèn)。對(duì)AC 面實(shí)施了鉆芯取樣，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 9 號(hào)樁的鉆芯取樣結(jié)果

從芯樣中可以清晰地觀察到一條顯著的裂縫，且芯樣的實(shí)際長(zhǎng)度相較于樁的整體長(zhǎng)度短了十幾公分。基于上述觀察可推斷在灌注過(guò)程中，當(dāng)灌注深度達(dá)到約15m 時(shí)，可能發(fā)生了塌孔現(xiàn)象。塌孔導(dǎo)致的泥土掉落并被混凝土夾雜，從而對(duì)樁身的整體質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響[5]。

2.10 治理問(wèn)題樁后的整體檢測(cè)結(jié)果

對(duì)問(wèn)題樁采取壓漿處理后對(duì)整體樁基再次進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)結(jié)果均顯示良好，取得了不錯(cuò)的整治效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在橋梁樁基工程中，樁身可能存在的多種缺陷，如斷裂、縮頸離析、夾泥、空洞等，這些因素直接關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量和安全。因此，采用聲波透射法對(duì)樁基質(zhì)量進(jìn)行全面檢測(cè)，已成為預(yù)防橋梁工程因樁基質(zhì)量問(wèn)題而產(chǎn)生重大安全隱患的重要措施。通過(guò)超聲波法在橋梁灌注樁基項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，該方法不僅具有檢測(cè)速度快、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，還能提供準(zhǔn)確的定量解釋。特別是對(duì)于大型灌注樁的樁身質(zhì)量檢測(cè)，即評(píng)估混凝土的連續(xù)性和均勻性方面，超聲波法被證明是一種最為直觀且可靠的檢測(cè)手段。此外，聲波透射法樁基質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)作為當(dāng)前無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的一種先進(jìn)新型技術(shù)，其操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)精度高、不受具體樁基形態(tài)限制，并且檢測(cè)效率高。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新前景非常廣闊。它不僅能有效提升工程質(zhì)量的保障水平，還能為建筑企業(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。