聲波透射法和鉆芯法檢測(cè)橋梁樁基完整性要點(diǎn)分析

摘要 為了保證橋梁樁基施工質(zhì)量，需及時(shí)開展質(zhì)量檢測(cè)并依據(jù)規(guī)范判定樁身缺陷的位置、范圍和程度，判斷完整性類別，確保隱蔽工程質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。文章總結(jié)了聲波透射法和鉆芯法的特點(diǎn)及技術(shù)要點(diǎn)，并以某高速公路橋梁的1-2基樁為研究對(duì)象開展了案例分析。結(jié)果表明，單一檢測(cè)方法存在一定的局限性，聲波透射法檢測(cè)出缺陷時(shí)應(yīng)通過(guò)其他檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以綜合判定樁基的完整性，研究成果可為類似橋梁樁基礎(chǔ)檢測(cè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 聲波透射法；鉆芯；鉆孔灌注樁；樁基檢測(cè)；工程案例

中圖分類號(hào) U443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0082-03

0 引言

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的大背景下，交通建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，而公路橋梁基礎(chǔ)建設(shè)的質(zhì)量尤為重要。樁基礎(chǔ)因具有承載能力大、可穿越不良地層等特點(diǎn)，在橋梁工程中應(yīng)用廣泛。公路橋梁中的樁基礎(chǔ)多采用混凝土澆筑而成，因施工質(zhì)量控制不當(dāng)可能會(huì)出現(xiàn)斷裂、夾泥、樁身裂縫、縮頸等問(wèn)題，導(dǎo)致樁基的承載能力、強(qiáng)度不足，耐久性變差。若不及時(shí)開展樁基檢測(cè)，將對(duì)橋梁的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)較大隱患。因此，進(jìn)一步研究橋梁樁基檢測(cè)方法十分必要。

1 橋梁樁基檢測(cè)方法的特點(diǎn)分析

1.1 聲波透射法特點(diǎn)

聲波透射法通常利用非金屬超聲檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)發(fā)射換能器發(fā)射超聲波，因超聲波在混凝土中遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射、反射、折射的現(xiàn)象，從而可以根據(jù)聲波特征參數(shù)判別樁身的完整性[1]。具體檢測(cè)示意圖見圖1所示。聲波透射法具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，且不受樁長(zhǎng)和樁徑限制，為檢測(cè)人員快速了解樁內(nèi)缺陷、判斷樁基完整性提供依據(jù)。

1.2 鉆芯法特點(diǎn)

鉆芯法利用鉆機(jī)沿著基樁軸向鉆取芯樣，通過(guò)觀察芯樣外觀、開展抗壓強(qiáng)度測(cè)試等手段判斷基樁的完整性。該方法可以直接看到基樁內(nèi)部的混凝土情況，直觀性好。但鉆芯取樣的數(shù)量有限，存在“以點(diǎn)代面”的現(xiàn)象，無(wú)法全面反映樁身的實(shí)際情況。同時(shí)，鉆取芯樣時(shí)難免會(huì)對(duì)樁身造成破損，影響樁體的承載能力。并且鉆芯法設(shè)備操作復(fù)雜、成本高、工期長(zhǎng)，主要適用于大直徑基樁的局部判斷，無(wú)法檢測(cè)縮徑等微小缺陷[2]。

2 橋梁樁基檢測(cè)技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 聲波透射法技術(shù)要點(diǎn)

（1）檢測(cè)設(shè)備

非金屬超聲檢測(cè)儀是公路橋梁基樁完整性檢測(cè)最常用的儀器，通常換能器的諧振頻率越高，缺陷的分辨率也越高，但是越高頻的聲波，其衰減越快，有效的測(cè)距也就越小，因此應(yīng)綜合考慮換能器的選配。為提高聲波的信噪比，改善信號(hào)接收的靈敏度，需要在換能器底部設(shè)置一個(gè)放大器。換能器以清水為耦合劑進(jìn)行檢測(cè)工作，清水中不能含有泥沙，應(yīng)將換能器與電纜連接處進(jìn)行封閉處理。

需注意的是，在加入清水后，不能立即放入換能器探頭，應(yīng)待水面無(wú)波動(dòng)后才能放入，以防清水振動(dòng)影響超聲波的波形，給檢測(cè)人員造成基樁缺陷的誤判[2]。

（2）聲測(cè)管埋設(shè)

聲測(cè)管的埋設(shè)數(shù)量過(guò)少，將影響基樁檢測(cè)精確度；而聲測(cè)管的數(shù)量越多、布置越密集，檢測(cè)面積和檢測(cè)范圍就越大，但檢測(cè)效率降低、成本變高。在考慮檢測(cè)效率及經(jīng)濟(jì)性的情況下，通常按照表1及圖2的方式進(jìn)行布置。

通常聲測(cè)管內(nèi)徑要比換能器大15 mm，以確保換能器在聲測(cè)管中靈活移動(dòng)；若換能器加設(shè)定位器，聲測(cè)管內(nèi)徑要比換能器大20 mm。聲測(cè)管宜采用剛度大、抗變形能力強(qiáng)的金屬管，比如鋼質(zhì)波紋管。

需注意的是，聲測(cè)管的安裝是否滿足檢測(cè)要求，直接影響檢測(cè)進(jìn)度，進(jìn)而影響整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度，這是項(xiàng)目樁基施工需要考慮的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。聲測(cè)管埋設(shè)時(shí)，其深度應(yīng)與基樁的底部齊平，并將聲測(cè)管的底部和頂部封閉，避免水泥漿進(jìn)入聲測(cè)管內(nèi)堵塞，導(dǎo)致后續(xù)檢測(cè)工作無(wú)法開展[3-4]。

（3）系統(tǒng)延遲時(shí)間標(biāo)定

因檢測(cè)設(shè)備自身問(wèn)題，換能器從發(fā)射超聲波至接收，不可避免地會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)延遲（延誤時(shí)間為t0），從而影響檢測(cè)結(jié)果。鑒于此，可用下述方法標(biāo)定t0：第一，將發(fā)射換能器、接收換能器平行放進(jìn)清水中，將兩者間距控制在400 mm；第二，按100 mm逐漸增加換能器間的距離，并測(cè)量出相應(yīng)的聲時(shí)；第三，繪制間距-聲時(shí)曲線，利用一元一次方程擬合出兩者的關(guān)系，見式（1）。此時(shí)，擬合方程在橫向坐標(biāo)軸上的截距就是系統(tǒng)的延遲時(shí)間。需注意，換能器間距的測(cè)量誤差≤0.5%，測(cè)量點(diǎn)數(shù)量≥5個(gè)。

（1）

式中，b——擬合方程斜率（μs/mm）；l——換能器間距（mm）；t0——系統(tǒng)延遲時(shí)間（μs）。

（4）判據(jù)分析

1）波幅判據(jù)：波幅反映了超聲波的能量，能量越大、波幅越大。當(dāng)超聲波穿過(guò)基樁缺陷時(shí)，其能量衰減嚴(yán)重，波幅會(huì)有明顯降低。波幅臨界值可用式（2）和式（3）計(jì)算。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的波幅（首波波幅）小于波幅臨界值時(shí)，則認(rèn)為區(qū)域內(nèi)可能存在缺陷。

（2）

（3）

式中，AD——波幅臨界值（dB）；Am——波幅平均值（dB）；Ai——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的波幅（dB）；n——基樁測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

2）聲速判據(jù)：對(duì)于公路橋梁樁基，多采用“雙邊剔除法”判斷基樁聲速是否異常，即先對(duì)剖面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲速vi按從大到小進(jìn)行排序，將去除k個(gè)最小數(shù)值和k'個(gè)最大數(shù)值后的其余數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。隨后，將統(tǒng)計(jì)的最小數(shù)據(jù)和最大數(shù)據(jù)與異常值進(jìn)行對(duì)比。如不滿足相應(yīng)條件，則剔除該數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行計(jì)算。

在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)需注意，鉆孔灌注樁施工時(shí)，一般會(huì)超灌0.5～1.0 m，以保證樁頂?shù)幕炷临|(zhì)量與樁身一致。但是，樁頂混凝土較松散，會(huì)干擾超聲波的波形，理論上在檢測(cè)前應(yīng)鑿除超灌的混凝土，但實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)一般不宜采用鑿除的方式。因此，在獲取基樁的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，將超灌部分的數(shù)據(jù)直接剔除，這種數(shù)據(jù)處理方式既可以消除樁頭數(shù)據(jù)的影響，又能避免聲測(cè)管出現(xiàn)堵塞。

2.2 鉆芯法技術(shù)要點(diǎn)

（1）檢測(cè)設(shè)備

橋梁基樁鉆芯應(yīng)采用轉(zhuǎn)速不低于790 r/min、振動(dòng)小、大扭矩，且液壓操縱的鉆機(jī)，同時(shí)配備的鉆桿應(yīng)順直。在安裝鉆機(jī)時(shí)，應(yīng)將其底座調(diào)平，并確保立軸垂直。在開孔階段，可選擇合金鉆頭；而在正常鉆進(jìn)時(shí)，多選擇金剛石鉆頭，以提高切割速度，降低對(duì)混凝土芯樣的擾動(dòng)。鉆機(jī)安裝應(yīng)穩(wěn)固，因?yàn)槠錄Q定了芯樣采取的質(zhì)量和鉆孔的垂直度[5]。

（2）鉆孔數(shù)量和位置

橋梁基樁應(yīng)根據(jù)鉆孔直徑確定鉆孔方案，見表2所示。同時(shí)，鉆孔應(yīng)保證開孔位置，首先應(yīng)確定樁中心點(diǎn)，一般需要裸露樁頭，不便開挖的樁可以用全站儀測(cè)定中心點(diǎn)。

（3）鉆芯過(guò)程控制

沿基樁垂直方向緩慢鉆進(jìn)，且每回次鉆孔進(jìn)尺不宜大于1.5 m。安排專職人員動(dòng)態(tài)觀察鉆芯孔的垂直偏差，如垂直偏差＞0.5%，應(yīng)及時(shí)停機(jī)，調(diào)整鉆進(jìn)方案。待取樣完成后，自上而下按回次順序排放，記錄芯樣的基礎(chǔ)信息，并密封保存。

（4）芯樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

基樁混凝土芯樣制作完成后，在20±5℃的清芯樣水中浸泡48 h左右，再開展芯樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并記錄芯樣破壞時(shí)的極限荷載，再按式（4）計(jì)算出混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)同一根樁鉆孔數(shù)大于1，且其中孔在某深度有缺陷時(shí)，應(yīng)在其他孔的同一深度處截取芯樣進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）

式中，fc——抗壓強(qiáng)度（MPa）；P——極限荷載（N）；d—芯樣直徑（mm）。

3 橋梁樁基檢測(cè)案例分析

3.1 工程概況

某高速公路大橋，中心樁號(hào)K2+200，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，分左、右兩幅設(shè)計(jì)，單幅橋面寬度為12.5 m。主橋的上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑長(zhǎng)度為190 m，跨徑組合為（通過(guò)聲波透射法檢測(cè)該樁樁基的完整性，沿基樁截面布置4個(gè)聲測(cè)管，并按順時(shí)針對(duì)聲測(cè)管進(jìn)行編號(hào)。結(jié)果如表3所示，聲測(cè)曲線顯示樁底2.0 m范圍內(nèi)的波速、波幅均低于臨界值，存在異常，判斷該樁為Ⅲ類樁。為確定其樁基的完整性，通過(guò)鉆孔進(jìn)

行驗(yàn)證。

3.2 鉆芯法驗(yàn)證結(jié)果

該橋梁基樁鉆芯取樣采用體積小、振動(dòng)小、鉆速高的XY-2B型鉆機(jī)，鉆頭外徑取110 mm。依據(jù)《公路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T 3512—2020），當(dāng)樁長(zhǎng)大于30 m時(shí)，需鉆取4組芯樣開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其具體檢測(cè)結(jié)果如下：

（1）芯樣外觀特征：混凝土芯樣斷面為青灰色，呈長(zhǎng)柱狀，芯樣連續(xù)、完整，骨料分布均勻，且側(cè)面較光滑，斷口吻合，具體見圖3所示：

（2）沉渣情況：樁底無(wú)沉渣。

（3）抗壓強(qiáng)度：對(duì)該樁鉆取的芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示，表明混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 綜合判定

無(wú)論是聲波透射法檢測(cè)還是鉆芯法檢測(cè)，都存在一定的局限性。因《公路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T 3512—2020）中無(wú)聲波透射法結(jié)合鉆芯法綜合判定的相關(guān)規(guī)定，這是樁基檢測(cè)中值得探討的地方。各參建方結(jié)合聲波透射法檢測(cè)結(jié)果，以及鉆芯法的驗(yàn)證情況，綜合判定該樁為Ⅱ類樁。

4 結(jié)論

該文主要研究了聲波透射法和鉆芯法檢測(cè)橋梁樁基的技術(shù)要點(diǎn)及工程應(yīng)用，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）聲波透射法屬無(wú)損檢測(cè)，是利用超聲波在基樁混凝土的傳遞判斷缺陷，判斷需結(jié)合聲速、波幅、PSD等參數(shù)。聲測(cè)管的埋設(shè)質(zhì)量對(duì)于該方法十分關(guān)鍵，若發(fā)生扭曲、變形或堵塞，則存在檢測(cè)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）鉆芯是利用鉆機(jī)鉆取芯樣，屬于半破損檢測(cè)，芯樣質(zhì)量與鉆機(jī)安裝穩(wěn)固度有較大關(guān)系。通過(guò)混凝土芯樣的外觀、抗壓強(qiáng)度等綜合判斷樁基的完整性，其判斷結(jié)果更直觀。

（3）實(shí)際檢測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)聲波透射法檢測(cè)結(jié)果顯示為Ⅲ類，但取芯結(jié)果顯示無(wú)缺陷的情況，通過(guò)綜合判定為Ⅱ類樁。

（4）單一檢測(cè)方法存在一定的局限性，當(dāng)聲波透射法檢測(cè)出缺陷時(shí)應(yīng)通過(guò)其他檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，綜合判定樁基的完整性。

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