基于低應(yīng)變反射波和超聲波透射法的公路基樁完整性檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU473.16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945(2025)20-0181-04

Abstract:Theapplicationoflow-strainreflectedwavemethodandultrasonictransmisionmethodinhighwayfoundationpile integritytestingisexplored.Thelow-strainreflectedwavemethodsetsanexcitationpointatthecenterpointofthepiletop， arrangessensorsaroundit，emitselasticwavesfromtheexcitationpointandcapturesthereflectedwaveswiththesensors， calculatesthewavespedandcombinesthereflectionattheendofthepiletojudgetheintegrityofthepilebody;The ultrasonictransmissionmethodtransmitsandreceivesultrasonicwavesthroughtransmitersandreceiversembededinthe acousticmeasuring tube，andcalculatesthespeedofsound，amplitude，etc.todetectandverifypilebodydefects.Takinga highwaybridgefoundationpileasanexample，itwasinitallyjudgedthattherewasasuspecteddefectivereflectionabout13 metersbelowthepiletopbasedonthetimedomaincurveofthelow-strainreflectedwave.Theultrasonictransmisionmethod wastheusedtoverifyit.Theresultsshowedthattheconcreteacousticparameterswereabnomalat12.8to13.2metersaway fromthepiletop.Thetestresultsofthetwomethodswereconsistent.Comprehensiveanalysisandjudgmentofthewaveforms measured by the two methods were used to determine that the pile body had slight defects.

Keywords:low-strainreflectedwave；ultrasonictransmissionmethod;highwayfoundationpile；integritytesting;pilebody testing

橋梁是公路工程的重要組成部分，尤其是對(duì)于穿過山嶺、跨越江河的公路，橋梁工程的占比更高?；鶚对谔岣邩蛄撼休d力、保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，其施工質(zhì)量主要取決于基樁完整性。常規(guī)的完整性檢測(cè)方法是鉆芯取樣，屬于有損檢測(cè)，會(huì)對(duì)基樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損害。相比之下，低應(yīng)變反射波法和超聲波透射法均屬于無損檢測(cè)，無論是從安全性還是便捷性上均有特殊優(yōu)勢(shì)，因此在公路基樁的完整性檢測(cè)中得到了推廣應(yīng)用。2種方法的適用范圍、檢測(cè)原理和優(yōu)缺點(diǎn)各有差異，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合工程情況靈活選擇，必要時(shí)可以綜合應(yīng)用2種方法，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，以提高檢測(cè)結(jié)果的可信度。

1基于低應(yīng)變反射波的公路樁機(jī)完整性檢測(cè)

低應(yīng)變反射波法又稱為“錘擊法”，將激振設(shè)備布置在樁頂并施加錘擊荷載，隨后沿著樁身產(chǎn)生縱向彈性波，如果樁身存在缺陷(如擴(kuò)徑、縮徑、斷樁等)會(huì)導(dǎo)致彈力波發(fā)生反射及透射。利用樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮諒椓Σú⒂?jì)算傳播速度、傳播時(shí)間、反射波形狀，分析缺陷類型和位置，根據(jù)分析結(jié)果判斷基樁完整性（如圖1所示）。

1.1激振點(diǎn)與傳感器的布置

對(duì)于混凝土灌注樁，激振點(diǎn)一般設(shè)置在樁頂?shù)闹行奈恢茫瑐鞲衅靼惭b在距樁中心2/3半徑處（如圖2所示），且距離基樁的鋼筋籠的主筋不小于 50mm 。常用的傳感器有力傳感器、加速度傳感器等，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)選定，短樁或分辨淺部缺陷樁時(shí)，宜采用窄脈沖低能量激振，長(zhǎng)樁或深部缺陷宜采用寬脈沖大能量激振，選用不同重量和材質(zhì)的力棒具體布置。

根據(jù)以往檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，如果公路基樁直徑較大并且存在缺陷，由于傳感器位置不同獲得的時(shí)域曲線也會(huì)表現(xiàn)出明顯差異，因此要根據(jù)基樁實(shí)際情況靈活選擇測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)點(diǎn)數(shù)量，一般來說，樁徑不超過 1000mm 的，測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于2個(gè)；樁徑超過 1000mm 的，測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)設(shè)置3\\~4個(gè)，并以樁心為中心對(duì)稱布置。

1.2 樁頭預(yù)處理

公路基樁由于澆筑工藝的影響，通常會(huì)有樁頂浮漿密實(shí)度差的情況，與下部樁身混凝土之間存在間斷界面。當(dāng)錘擊激振點(diǎn)時(shí)發(fā)出的彈力波在該界面發(fā)生反射，導(dǎo)致彈力波的能量降低，不利于樁身缺陷的檢出。因此在檢測(cè)前要使用工具鑿除樁頂浮漿，以露出堅(jiān)實(shí)的混凝土面為宜。為了獲取更高質(zhì)量的樁身完整性信號(hào)，需要打磨樁頂混凝土面，使其平整密實(shí)，保證傳感器安裝后與樁頂面垂直，并選擇合適的黏合劑，使得傳感器黏結(jié)牢固、耦合良好，獲得較大的與被檢樁的接觸剛度。

1.3基樁檢測(cè)完整性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)JTG/T3512—2020《公路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》，樁身完整性判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4 基樁缺陷識(shí)別

彈力波的傳播速度(波速)是判斷樁身有無缺陷的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為

式中： L 為樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，單位為 m;c 為波速，單位為m/s;ΔT 為彈力波從發(fā)出到接收的時(shí)間差，單位為s。

當(dāng)公路基樁存在缺陷時(shí)，該缺陷的位置可以通過下式求得

式中： x 表示缺陷與樁頂之間的距離，即缺陷深度，單位為 m;c 表示波速，單位為 m/s;Δt 表示樁頂與缺陷所在位置反射波的時(shí)間差，單位為 ms 。

為了準(zhǔn)確判斷被檢樁的質(zhì)量和推算缺陷的位置，應(yīng)事先利用一定數(shù)量完整樁的反射波波形獲取同一項(xiàng)目的樁身波速平均值；時(shí)間差根據(jù)檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)計(jì)算。

公路基樁常見的缺陷有樁身斷裂、擴(kuò)徑、縮徑、樁底沉渣、樁身夾泥等類型。在低應(yīng)變反射檢測(cè)時(shí)，這些缺陷的時(shí)域曲線具有一定特征，根據(jù)時(shí)域曲線的特征初步判斷所述的缺陷類型。

2基于超聲波透射法的公路樁基完整性檢測(cè)在基樁外側(cè)對(duì)稱綁扎一定數(shù)量的聲測(cè)管，并向聲測(cè)管內(nèi)注入清水充當(dāng)耦合劑。一個(gè)聲測(cè)管放入超聲波發(fā)射器，另一個(gè)聲測(cè)管放入超聲波接收器。發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能并在混凝土樁中傳播，另一側(cè)的接收器捕捉機(jī)械波并將其轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的電信號(hào)。經(jīng)過分析計(jì)算，可以得出超聲波的聲參量，通過波速、波幅、PSD、波列等聲參量綜合分析評(píng)判，可以得出樁身完整性2。通常來說，聲速和波幅越大則樁體密實(shí)性越好，越小則樁體越松散，可能存在蜂窩、裂縫、離析等質(zhì)量問題。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，根據(jù)樁徑確定聲測(cè)管的埋置數(shù)量，對(duì)于樁徑不超過 1000mm 的埋置2根即可，樁徑超過 1000mm 且小于等于 1600mm 需要理設(shè)3根，樁徑超過 1600mm 且小于 2500mm 需要埋設(shè)4根，均為對(duì)稱分布（如圖3所示)。聲測(cè)管均為中空金屬管，內(nèi)徑要比換能器的外徑大 20mm 左右，兩端封堵以防漏水。聲測(cè)管的底部與樁底齊平，管口應(yīng)超出混凝土頂高程至少 100mm 。另外在檢測(cè)前還應(yīng)做以下準(zhǔn)備工作： ① 待測(cè)公路基樁的混凝土齡期至少要在 7d 以上； ② 聲測(cè)管內(nèi)注滿清水，并對(duì)儀器進(jìn)行延遲時(shí)間標(biāo)定； ③ 測(cè)量聲測(cè)管的內(nèi)徑、外徑，測(cè)量精度為 0.1mm 對(duì)稱2個(gè)聲測(cè)管的外壁距離，精確到 1mm ④ 超聲發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的相對(duì)高差不得超過 20mm ，保證信號(hào)能正常接收。

超聲波透射檢測(cè)基樁完整性中，根據(jù)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的關(guān)系不同，可以分為對(duì)測(cè)、斜測(cè)、交叉斜測(cè)、扇形掃測(cè)4種方式，如圖4所示。

一般來說，首先選擇對(duì)測(cè)法進(jìn)行完整性檢測(cè)，如果檢測(cè)出基樁有缺陷，再使用其他方法輔助定位，確定缺陷的具體位置。檢測(cè)步驟如下：參考深度標(biāo)記將發(fā)射器和接收器置于2根聲測(cè)管中，并到達(dá)指定深度。啟動(dòng)超聲波發(fā)射裝置，同時(shí)記錄超聲波接收信號(hào)并繪制超聲波曲線，讀取首波峰值、聲時(shí)、波幅等聲參量參數(shù)。對(duì)于聲時(shí)值和波幅值出現(xiàn)明顯異常的部位，應(yīng)采用水平加密、雙向斜測(cè)或扇形掃測(cè)進(jìn)行局部細(xì)測(cè)，確定樁身混凝土缺陷的位置、大小和嚴(yán)重程度；上述細(xì)測(cè)的測(cè)點(diǎn)間距不應(yīng)大于 100mm ，局部斜測(cè)時(shí)2支換能器發(fā)射、接收部分的中心連線與水平面的夾角不應(yīng)小于 30^° 。對(duì)于同一根基樁進(jìn)行對(duì)測(cè)和斜測(cè)時(shí)，必須保證超聲儀器的發(fā)射電壓等參數(shù)完全一致。

2.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析及判定

超聲波的傳播速度 (v )可通過下式求得

式中： l 表示2根聲測(cè)管外壁之間的最短距離，單位為 mm;t 表示超聲波的聲時(shí)值，單位為 μs ，計(jì)算式如下

式中： t₁ 表示超聲波在第 i 個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)的聲時(shí)測(cè)量值， t₂ 表示系統(tǒng)延遲時(shí)間， t₃ 表示聲時(shí)修正值，單位均為 μs 。如果是測(cè)得的聲速值 v 低于聲速臨界值 V ，排除管斜影響后，則認(rèn)為被測(cè)基樁存在可疑缺陷。正常樁與缺陷樁的聲速-深度曲線如圖5所示。

除了以聲速作為缺陷判斷依據(jù)外，在實(shí)際檢測(cè)中還會(huì)選擇波幅、PSD(功率譜密度）作為依據(jù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，以被測(cè)基樁超聲波的波幅平均值減去6dB作為臨界值，如果實(shí)際測(cè)量的波幅低于臨界值，說明被測(cè)基樁有疑似缺陷4。對(duì)疑似缺陷做進(jìn)一步確定時(shí)，可以使用PSD作為判斷依據(jù)。如果PSD值在某個(gè)測(cè)點(diǎn)附近產(chǎn)生異常，即可確定缺陷范圍，該值的計(jì)算式如下

式中： t_i 和 t_i-1 分別表示第 i 個(gè)和第 _i-1 個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)實(shí)測(cè)值，單位為 μs;m_i 和 m_i-1 分別表示第 i 個(gè)和第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度，單位為 m 。

3低應(yīng)變反射波法和超聲波法在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用

低應(yīng)變反射波法的優(yōu)勢(shì)在于方便性與靈活性，但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在缺點(diǎn)，例如缺陷較深時(shí)不能測(cè)出，以及只能定性判斷有無缺陷，而無法辨別具體的缺陷類型等。因此為了提高檢測(cè)結(jié)果的精確性，通常需要結(jié)合超聲波法對(duì)公路基樁的完整性檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。選擇某高速公路 K40+308 立交橋的1號(hào)樁作為基樁，分別運(yùn)用2種方法進(jìn)行樁體完整性檢測(cè)。該樁的施工時(shí)間為2022年8月23日，檢測(cè)時(shí)間為2022年10月17日，樁長(zhǎng) 16m ，樁徑 1150mm ，樁端為弱風(fēng)化巖。其中，基于低應(yīng)變反射波的時(shí)域曲線如圖6所示。

由圖6可知，該樁時(shí)域曲線的樁端反射較為明顯，存在缺陷反射波形。根據(jù)一維彈性波動(dòng)原理，把被檢樁視為一維的彈性均質(zhì)桿件，當(dāng)在樁頂采用力錘施加一道豎向沖擊荷載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓縮入射波以一定的波速沿樁身向下傳播，在遇到樁身波阻抗明顯變化的界面(如沉渣、離析、夾泥等材質(zhì)變化)或樁身截面積變化(擴(kuò)徑或縮徑)區(qū)域時(shí)2，壓縮入射波在波阻抗界面將分成反射波和入射波，人射波繼續(xù)向下傳遞，反射波被預(yù)先安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮詹⒆龇糯?、濾波和數(shù)據(jù)處理，識(shí)別出樁身不同部位的反射信息，與圖6中規(guī)律相符。由此可以看出，在基樁約 13m 處產(chǎn)生同向反射現(xiàn)象，根據(jù)低應(yīng)變法樁身完整性類別評(píng)判表，判斷被檢樁屬于輕度缺陷。為了確保公路橋梁的安全性，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)還綜合應(yīng)用了超聲波透射法進(jìn)行缺陷驗(yàn)證，以減少誤判，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采集，該樁超聲波測(cè)試聲參量圖形如圖7所示。

從圖7可以看出，在距離樁頂 12.8～13.2m 處的位置，1-2剖面樁體超聲波檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)了波速、波幅突然降低、聲時(shí)值增加、并有PSD突變的情況。疑似缺陷深度范圍與低應(yīng)變反射波法的檢測(cè)結(jié)果基本一致。綜合2種方法的檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)依據(jù)低應(yīng)變及超聲波檢測(cè)判定原則，判定被測(cè)基樁在 8～9m 處存在輕度缺陷，該檢測(cè)結(jié)果可靠準(zhǔn)確，為實(shí)際工程提供了參考。

4結(jié)束語

作為公路基樁完整性檢測(cè)中常用的2種技術(shù)，低應(yīng)變反射波法的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備要求低、操作方便、靈活性好，但是當(dāng)樁體存在多個(gè)缺陷時(shí)容易錯(cuò)判、漏判；超聲波透射法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)準(zhǔn)確性相對(duì)較高、靈敏度高，尤其適合深度缺陷檢測(cè)，但是需要提前埋設(shè)聲測(cè)管，且對(duì)于其垂直度要求嚴(yán)格，否則容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真情況。在公路橋梁基樁的完整性檢測(cè)中，可以將2種技術(shù)結(jié)合起來，首先用低應(yīng)變反射波法判斷是否有缺陷，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果表示存在缺陷后，再使用超聲波透射法對(duì)缺陷的位置、類型進(jìn)行驗(yàn)證。綜合2種檢測(cè)方法的結(jié)果，讓技術(shù)人員對(duì)被測(cè)基樁的完整性有一個(gè)全面的了解，從而為后續(xù)的基樁處理提供依據(jù)，對(duì)保證公路橋梁的結(jié)構(gòu)安全有積極幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢立輝，黃澧，何成.基樁完整性檢測(cè)常用方法的應(yīng)用及對(duì)比分析[J].四川建材，2023（5)：108-110.

[2]林偉，馮卓軒，余福寶.低應(yīng)變反射波法在既有基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J]廣州建筑，2023（2)：25-28

[3]張艷偉.高應(yīng)變法在基樁樁身完整性和承載力檢測(cè)及計(jì)算中的應(yīng)用[J].四川水泥，2023(12)：56-58.

[4]黃強(qiáng).超聲波透射法在大直徑灌注樁樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用[J].中華建設(shè)，2023(7)：128-130.

[5]虢云濤，雷科.超聲波檢測(cè)基樁完整性及其與承載力的關(guān)系[J].地產(chǎn)，2022(20):161-163.