? 声波透射法在钻孔灌注桩检测中的应用贾颜康1， 李维珍2， 张昀青1 (1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043;2.东南大学交通学院,江苏 南京 210096) 摘 要：钻孔灌注桩是桥梁下部结构加固地基的一种重要形式，声波透射法作为大直径钻孔灌注桩检测常用的一种方法，在工程实践中具有很多其它检测方法不具有的优点。通过阐述超声波检测钻孔灌注桩的原理和方法，结合石家庄某工地现场不同基坑中钻孔灌注桩的检测波形图，分析声波透射法检测出的桩基缺陷对应的声学参数变化，为工程技术人员利用声波透射法检测桩基提供参考。 关键词：钻孔灌注桩；质量检测;波形图；声波透射法 桥梁桩基作为桥梁施工的第一个环节，其质量的好坏直接影响着桥梁的后续施工及通车后行车的安全，因此桥梁桩基在地基处理和整个工程建设中都有着举足轻重的地位。为了保证桥梁桩基的质量，工程上常采用一些无损检测的方法对施工后的桩基进行质量检测。超声波法和低应变法检测混凝土钻孔灌注桩是目前工程上最常用的两种无损检测方法，但是由于采用低应变法检测桩基时在桩基的桩头附近存在盲区[1]，同时该法受地层的影响较大，检测精度相对较低，并且检测受桩基长径比的限制较大，所以该法通常用在桩径相对较小、桩长相对较短的桩基检测当中。声波透射法作为大直径灌注桩常用的一种无损检测方法，由于其具有测试结果精度高，不受桩长、长径比的限制，比传统检测方法效率高等优点，因而在工程实践中得到了大量的应用。 1 超声波检测的原理和方法1.1 基本原理 声波是物体机械振动时迫使周围介质也发生振动并使振动向外传播而形成的一种波动，它作为弹性波的一种形式，在混凝土中的传播服从弹性波的传播规律。一般而言，混凝土的等级越大，强度越高，声波传播的速度也越快。通过这一规律建立起不同声速v与不同强度等级混凝土R之间的函数关系，然后通过测得在混凝土中传播的声波速度便可推算出混凝土的强度等级和桩身是否存在缺陷。 超声波透射法检测桩身结构是通过预先埋设在桩身中一定数量的声测管来完成的。声测管作为超声波发射与接收的通道，测试时将发射与接收声波换能器以相同标高分别置于不同声测管中的测点处，声波从一根声测管中发射，通过水的耦合，经混凝土传播后在另一根测管中接收，由所接收的混凝土介质声学的参数变化可以探测混凝土内部的缺陷，比如裂缝、夹泥、离析等质量情况(超声波检测示意图见图1)。  图1 超声波检测示意图 1.2 声测管数量的选定 声测管的埋设数量跟桩身的直径D有关，不同规范对于声测管埋设的数量要求不同(见表1)[2]，埋设方位如图2所示。 表1 不同规范对埋设声测管的数量要求 mm  规范2根声测管3根声测管4根声测管建筑规范D≤800800 1.3 检测方法 (1)确定检测方案，连接各仪器设备。  图2 不同数量的声测埋设示意图 (2)放置换能器。将检测所用的换能器分别放入同一根桩中加满水的不同声测管中，放置深度为桩身的设计桩长。 (3)测量各声测管的间距。 (4)试采数据。将声测管中相同标高的换能器进行同步升降，仔细观察测试仪微机上所采集的数据，根据实际情况，及时调整各测试参数。 (5)采集数据。试采完成后，将换能器放置到待测桩身的桩底设计标高处，从桩底将声测管中的换能器同步拉升至桩顶设计标高处。对于检测完成后发现所采集的桩身信号异常时，应对该异常区域进行复测。复测时可加密测点，或采用斜测、扇形扫测的方法，排除仪器或者外界原因造成的影响，进一步确定桩身质量可疑区域的位置和范围。 (6)分析数据。待桩身检测完成后，及时对所采集的桩身信号进行分析判断，根据判断结果判定桩身类别。 2 桩身测试波形图的判定夹泥、断桩、离析、声测管弯曲等是混凝土灌注桩常见的缺陷，当检测桩基时，超声波传播到缺陷处时将产生反射、散射与绕射，最终导致接收器接收到的声学参数与在正常混凝土中传播的数值产生显著变化[3]。导致这些病害发生的原因有很多，为保证桩基质量的安全，进一步的指导工程的施工，当检测完现场的混凝土桩基时，应及时对现场所采集的信号进行分析判断，并对这些信号做出明确的分类，为工程的下一步施工提供依据。下面将以埋有3根声测管(3个剖面)的灌注桩为例，结合河北石家庄某工程项目中采用武汉岩海RS-ST06D(T)非金属超声仪检测的桩基波形图来做具体的说明。 2.1 桩身完整性与桩身质量的判定 桩身完整性和桩身的质量类别判定应根据现场所采集的数据，并结合桩身混凝土各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及桩身可疑点加密测试(包括斜测或扇形扫测)后确定缺陷及范围。一般根据现有的基桩检测技术规程，桩身的完整性按照表2进行判定[4]，桩身混凝土质量的类别根据所采集到的桩身测点的波形图按表3进行判定[5]。 表2 桩身完整性判别特征  特征完整性类别各检测剖面的声学参数均无异常,无声速低于低限值异常I类某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常,无声速低于低限值异常II类①某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常;②两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常;③局部混凝土声速出现低于低限值异常Ⅲ类①某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常;②两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常;③桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变Ⅳ类 表3 桩身混凝土质量判断声学参数变化表  桩身质量声时波幅波形完好均匀、无突变均匀、无大衰减正常离析增大有衰减畸变断裂显著增大明显衰减严重畸变 2.2 桩身结构完整的波形图 在桩身结构完整的波形图中，声速曲线、波幅曲线和PSD曲线在桩身的检测范围内均应是平滑、完整的曲线，各剖面所测试的波速、波幅的测值均大于临界值，PSD曲线也无大的凸起现象。图3是桩身结构性完好的典型波形图，该桩的桩径为1 250 mm，桩长51.0 m，桩身混凝土强度等级为C35。图中，3个剖面的各声学参数均无异常，声速(见表4)和波幅(见表5)均大于临界值，故此桩的桩身等级为Ⅰ类桩。桩身范围内各测点完好的典型时域波形如图4所示，在该图中测点的首波清晰可辨，波幅和波速在整个测点波形范围内变化稳定，声时均匀无突变，波形正常，故可判定桩身质量完好。 2.3 常见的桩基缺陷对应的波形图 2.3.1 局部夹泥 桩身有局部夹泥缺陷的波形图如图5所示，相应参数见表4和表5。该桩的桩径为1 000 mm，桩长53.0 m，桩身采用的混凝土强度等级为C35。在该波形图中A—B、A—C、B—C的三个剖面的波形图在图形的底部有明显的“尖角”存在，在“尖角”处桩身测点的波速突然减小，PSD判据明显增大，波幅降低。该图中3个剖面声学参数发生变化的部位均在同一深度，并且在该处的声速均小于声速的临界值，故此桩身的类别为Ⅲ类桩，如果图5中只有一个剖面异常，其它剖面正常，此时的桩身类别信号就变成了Ⅱ类桩。 表4 不同类桩的声速值  桩型 A—B剖面 ①②③④ B—C剖面 ①②③④ A—C剖面 ①②③④结构完整4.9834.6160.1372.84.9734.6120.1352.75.0744.8060.1002.0局部夹泥4.4453.8000.53612.14.6954.1530.2084.44.9064.3800.2024.1局部断桩4.7904.6150.0681.44.9274.6750.0961.94.8964.6820.0811.7声测管弯曲4.8234.2840.2064.34.7974.1940.2304.84.6754.2720.1523.3局部离析4.8094.5100.1132.34.9104.5260.1453.04.8384.5360.1142.4桩底沉渣4.9004.5180.1442.95.1284.7410.1462.84.9344.2770.2475.0 注：①为平均值/(km/s)；②为临界值/(km/s)；③为标差值/(km/s)；④为离差值/%。 表5 不同类桩的波幅值  桩型 A—B剖面 ①②③④ B—C剖面 ①②③④ A—C剖面 ①②③④结构完整105.8102.30.1372.84.9734.6120.1352.75.0744.8060.1002.0局部夹泥102.594.53.13.0102.098.61.31.3109.0106.41.00.9局部断桩101.998.61.31.298.092.02.22.3105.7102.31.31.2声测管弯曲103.399.31.51.599.795.01.81.8104.8102.60.80.8局部离析103.3100.01.31.298.795.11.31.4103.7101.11.00.9桩底沉渣106.1102.71.31.2105.8102.71.21.1103.799.01.81.7 注：①为平均值/dB；②为临界值/dB；③为标差值/dB；④为离差值/%。  图3 桩身结构完好的声学图像  图4 桩身测点完好的波形图  图5 桩身局部夹泥的声学图像 在含有夹泥缺陷的测点处，典型的时域波形图如图6所示，在该图中测点信号的首波清晰可辨，波幅明显降低，波形发生畸变。  图6 夹泥处的测点波形图 2.3.2 局部断桩 对于桩基来说，在某一段范围内所测试的桩身3个剖面连续夹泥(如图7所示)，这时便怀疑桩基断桩，超声波测试出的信号典型特征为：在缺陷范围内，声波波速明显降低，波幅明显减小，PSD值也随之变大。图7为桩身直径1 250 mm、采用强度等级为C35的混凝土灌注桩身，从桩顶标高向下31.0 m位置处开始进行密测的桩身完整性检测波形图。该桩所检测的3个剖面在27.7 m附近的波形明显异常：声速普遍降低，波幅普遍明显衰减，PSD曲线在该处发生紊乱(声学参数见表4和表5)。此波形是明显的桩身断桩信号，桩身等级为Ⅳ类桩。 图7 桩身局部断桩声学图像 图8中列出了在断桩缺陷范围的4种测点波形图。波形的典型特征为：波形不完整、不连续，首波不明显或者无法确认首波，波形严重畸变甚至无法采集到波形。 图8 在断桩范围内采集的测点波形图 2.3.3 声测管局部倾斜或局部弯曲变形 混凝土灌注桩在施工的过程中，如果声测管发生偏移或者弯曲，那么灌注桩桩身所埋设的各声测管便不再平行，在检测桩基时声波的声学参数在声测管发生偏移或者弯曲的区域将会发生明显变化。图9为声测管在倾斜或弯曲时的一种波形图，相应声学参数见表4和表5。该桩的桩身直径为1 250 mm，桩长为49.0 m，桩身采用强度等级为C35的混凝土。在该波形图中，A—B、A—C、B—C三个剖面的声速曲线在桩身的底部发生了明显的异常，但是在声速异常的区域波幅变化稳定。此时表示所检测桩基的2根声测管在桩身底部发生偏移或者弯曲，使得声测管的管间距在桩身的底部发生变化。由于这种声学参数异常的情况是由声测管的异常引起的，并且在各剖面的声速和波幅均大于临界值，故此波形对应的桩基可以判为合格。 图9 声测管局部弯曲声学图像 桩身声测管弯曲或倾斜测范围内的测点时域波形图如图10所示，在图10所示的波形图中，测点波形发生畸变，测点声时减小，波速明显增加，首波发生异常或者无法确认首波。 图10 声测管弯曲时的测点波形图 2.3.4 局部离析 离析是混凝土结构常见的缺陷之一，图11表示的是桩径为1 250 mm，桩长为49.0 m，桩身采用强度等级为C35的混凝土桩的检测波形图；相应声学参数见表4和表5。在该波形图中，混凝土局部离析的部位形成一个个的尖角(如图11中B—C剖面、A—C剖面所示)，在离析处所采集到的信号波速突然变大，波幅骤减，PSD判据值也随之变大，图11所示的桩身等级为Ⅱ类桩。 图11 灌注桩局部离析对应的声学图像 在局部离析处(尖角的位置)对应的测点时域波形图如图12所示，在该类缺陷的测点波形图中首波发生紊乱现象，波形有些畸变，声时增大，波幅减小。 图12 灌注桩离析处对应的测点时域波形图 2.3.5 桩底沉渣 桩底沉渣是钻孔灌注桩常见的病害之一，在施工过程中常常因为清孔不彻底而形成桩底沉渣，给桩基的工程质量留下隐患。当桩基具有桩底沉渣缺陷时所检测的桩身波形如图13所示，声学参数见表4和表5。该桩的桩径为1 250 mm，桩长53.0 m，桩身采用强度等级为C35的混凝土。在该波形图中，桩底附近的声学参数发生明显变化，具有沉渣缺陷的部位波速在2 000 m/s左右(跟声波在泥的介质中传播的波速相近)，波幅几乎全为0 dB，在沉渣跟桩身质量完好的混凝土桩交界面处判据骤然增加，在此交界面处PSD曲线形成一个较大的尖角，声速曲线在桩底变成“L”形曲线，声速和波幅值连续低于临界值。此类信号的桩身等级应结合相关规范根据沉渣的厚度来做判断，如果沉渣的厚度大于规范的要求，那么该信号对应的桩身为不合格桩；若沉渣的厚度小于规范的要求，则该信号对应的桩身等级可判为Ⅱ类桩。 图13 钻孔灌注桩桩底沉渣对应的声学图像 在桩底沉渣处的典型测点时域波形图如图14所示，该图列举了4种典型的测点波形图，这些波形普遍存在着波形严重畸变，首波无法确认，波形不连续、不完整，声时显著增大，波速普遍低于临界值的特征。 图14 桩底沉渣对应的4种测点时域波形图 3 结束语超声波透射法是目前工程上检测大直径灌注桩的一种无损检测方法。利用声波透射法检测的波形信号，结合声时、波幅、波速和其它的一些参数，可以准确的判断桩身是否存在缺陷。文中以埋有3根声测管(3个剖面)的灌注桩为例，结合河北石家庄某工程项目，给出了夹泥、断桩、离析、声测管弯曲等混凝土灌注桩常见的缺陷波形图，并将波形图与缺陷对应的声学参数进行了对比分析，较好的给出了波形图的缺陷识别。并对这些信号做出明确的分类，可为相关工程质量检测提供一定的依据。 参考文献 [1]刘雨岚.超声波、低应变反射波法在基桩工程中的对比检测[J].甘肃技术,2016(32):76-77 [2]李 飞.浅析基桩超声波透射法检测中声测管施工问题[J].应用技术,2012(13):21-22 [3]王 骏，李 凡.声波透射法在基桩完整性检测中的应用[J].工程与建设,2016(30):88-90 [4]中华人民共和国铁道部.TB10218—2008 铁路工程基桩检测技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2008 [5]刘德贵，姚 勇，王 宁.超声波透视法在桩基检测中的应用[J].路基工程,2009(2):159-161 On the Application of the Acoustic Transmission Method to the Testing of Bored PilesJIA Yankang1, LI Weizhen2， ZHANG Yunqing1 (1.College of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043;2.College of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China) Abstract：The bored pile is one of the most important forms of foundation reinforcement for the substructure of bridges,and the acoustic transmission method,as a common method of testing the quality of large-diameter bored piles,has many more advantages than other test methods in engineering practice.Upon the basis of dealing with the principle of and methods for testing bored piles by the acoustic method, and with the waveform of the bored pile foundation for different bored piles in various foundation pits at a Shijiazhuang site in Hebei as a practical example,the changes in acoustic parameters corresponding to their respective pile defects are analyzed in the paper,which may provide a useful reference for the engineering and technical personnel in applying the acoustic transmission method to pile foundation detection. Key words：bored pile;quality test;waveform;ultrasonic transmission method 收稿日期：2016-04-06 作者简介：贾颜康(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为桩基检测。sjztdjyk@163.com DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.05.018 中图分类号：TU473.16 文献标识码：A 文章编号：1672-3953(2016)05-0064-06 |
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