賈顏康，　李維珍，　張昀青

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)

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聲波透射法在鉆孔灌注樁檢測(cè)中的應(yīng)用

賈顏康1，李維珍2，張昀青1

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)

鉆孔灌注樁是橋梁下部結(jié)構(gòu)加固地基的一種重要形式，聲波透射法作為大直徑鉆孔灌注樁檢測(cè)常用的一種方法，在工程實(shí)踐中具有很多其它檢測(cè)方法不具有的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)闡述超聲波檢測(cè)鉆孔灌注樁的原理和方法，結(jié)合石家莊某工地現(xiàn)場(chǎng)不同基坑中鉆孔灌注樁的檢測(cè)波形圖，分析聲波透射法檢測(cè)出的樁基缺陷對(duì)應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)變化，為工程技術(shù)人員利用聲波透射法檢測(cè)樁基提供參考。

鉆孔灌注樁；質(zhì)量檢測(cè);波形圖；聲波透射法

橋梁樁基作為橋梁施工的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞直接影響著橋梁的后續(xù)施工及通車后行車的安全，因此橋梁樁基在地基處理和整個(gè)工程建設(shè)中都有著舉足輕重的地位。為了保證橋梁樁基的質(zhì)量，工程上常采用一些無(wú)損檢測(cè)的方法對(duì)施工后的樁基進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。超聲波法和低應(yīng)變法檢測(cè)混凝土鉆孔灌注樁是目前工程上最常用的兩種無(wú)損檢測(cè)方法，但是由于采用低應(yīng)變法檢測(cè)樁基時(shí)在樁基的樁頭附近存在盲區(qū)[1]，同時(shí)該法受地層的影響較大，檢測(cè)精度相對(duì)較低，并且檢測(cè)受樁基長(zhǎng)徑比的限制較大，所以該法通常用在樁徑相對(duì)較小、樁長(zhǎng)相對(duì)較短的樁基檢測(cè)當(dāng)中。聲波透射法作為大直徑灌注樁常用的一種無(wú)損檢測(cè)方法，由于其具有測(cè)試結(jié)果精度高，不受樁長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比的限制，比傳統(tǒng)檢測(cè)方法效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在工程實(shí)踐中得到了大量的應(yīng)用。

1 超聲波檢測(cè)的原理和方法

1.1 基本原理

聲波是物體機(jī)械振動(dòng)時(shí)迫使周圍介質(zhì)也發(fā)生振動(dòng)并使振動(dòng)向外傳播而形成的一種波動(dòng)，它作為彈性波的一種形式，在混凝土中的傳播服從彈性波的傳播規(guī)律。一般而言，混凝土的等級(jí)越大，強(qiáng)度越高，聲波傳播的速度也越快。通過(guò)這一規(guī)律建立起不同聲速v與不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土R之間的函數(shù)關(guān)系，然后通過(guò)測(cè)得在混凝土中傳播的聲波速度便可推算出混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和樁身是否存在缺陷。

超聲波透射法檢測(cè)樁身結(jié)構(gòu)是通過(guò)預(yù)先埋設(shè)在樁身中一定數(shù)量的聲測(cè)管來(lái)完成的。聲測(cè)管作為超聲波發(fā)射與接收的通道，測(cè)試時(shí)將發(fā)射與接收聲波換能器以相同標(biāo)高分別置于不同聲測(cè)管中的測(cè)點(diǎn)處，聲波從一根聲測(cè)管中發(fā)射，通過(guò)水的耦合，經(jīng)混凝土傳播后在另一根測(cè)管中接收，由所接收的混凝土介質(zhì)聲學(xué)的參數(shù)變化可以探測(cè)混凝土內(nèi)部的缺陷，比如裂縫、夾泥、離析等質(zhì)量情況(超聲波檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖1)。

圖1 超聲波檢測(cè)示意圖

1.2 聲測(cè)管數(shù)量的選定

聲測(cè)管的埋設(shè)數(shù)量跟樁身的直徑D有關(guān)，不同規(guī)范對(duì)于聲測(cè)管埋設(shè)的數(shù)量要求不同(見(jiàn)表1)[2]，埋設(shè)方位如圖2所示。

表1 不同規(guī)范對(duì)埋設(shè)聲測(cè)管的數(shù)量要求　mm

1.3 檢測(cè)方法

(1)確定檢測(cè)方案，連接各儀器設(shè)備。

圖2 不同數(shù)量的聲測(cè)埋設(shè)示意圖

(2)放置換能器。將檢測(cè)所用的換能器分別放入同一根樁中加滿水的不同聲測(cè)管中，放置深度為樁身的設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

(3)測(cè)量各聲測(cè)管的間距。

(4)試采數(shù)據(jù)。將聲測(cè)管中相同標(biāo)高的換能器進(jìn)行同步升降，仔細(xì)觀察測(cè)試儀微機(jī)上所采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整各測(cè)試參數(shù)。

(5)采集數(shù)據(jù)。試采完成后，將換能器放置到待測(cè)樁身的樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高處，從樁底將聲測(cè)管中的換能器同步拉升至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高處。對(duì)于檢測(cè)完成后發(fā)現(xiàn)所采集的樁身信號(hào)異常時(shí)，應(yīng)對(duì)該異常區(qū)域進(jìn)行復(fù)測(cè)。復(fù)測(cè)時(shí)可加密測(cè)點(diǎn)，或采用斜測(cè)、扇形掃測(cè)的方法，排除儀器或者外界原因造成的影響，進(jìn)一步確定樁身質(zhì)量可疑區(qū)域的位置和范圍。

(6)分析數(shù)據(jù)。待樁身檢測(cè)完成后，及時(shí)對(duì)所采集的樁身信號(hào)進(jìn)行分析判斷，根據(jù)判斷結(jié)果判定樁身類別。

2 樁身測(cè)試波形圖的判定

夾泥、斷樁、離析、聲測(cè)管彎曲等是混凝土灌注樁常見(jiàn)的缺陷，當(dāng)檢測(cè)樁基時(shí)，超聲波傳播到缺陷處時(shí)將產(chǎn)生反射、散射與繞射，最終導(dǎo)致接收器接收到的聲學(xué)參數(shù)與在正常混凝土中傳播的數(shù)值產(chǎn)生顯著變化[3]。導(dǎo)致這些病害發(fā)生的原因有很多，為保證樁基質(zhì)量的安全，進(jìn)一步的指導(dǎo)工程的施工，當(dāng)檢測(cè)完現(xiàn)場(chǎng)的混凝土樁基時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采集的信號(hào)進(jìn)行分析判斷，并對(duì)這些信號(hào)做出明確的分類，為工程的下一步施工提供依據(jù)。下面將以埋有3根聲測(cè)管(3個(gè)剖面)的灌注樁為例，結(jié)合河北石家莊某工程項(xiàng)目中采用武漢巖海RS-ST06D(T)非金屬超聲儀檢測(cè)的樁基波形圖來(lái)做具體的說(shuō)明。

2.1 樁身完整性與樁身質(zhì)量的判定

樁身完整性和樁身的質(zhì)量類別判定應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所采集的數(shù)據(jù)，并結(jié)合樁身混凝土各聲學(xué)參數(shù)臨界值、PSD判據(jù)、混凝土聲速低限值以及樁身可疑點(diǎn)加密測(cè)試(包括斜測(cè)或扇形掃測(cè))后確定缺陷及范圍。一般根據(jù)現(xiàn)有的基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程，樁身的完整性按照表2進(jìn)行判定[4]，樁身混凝土質(zhì)量的類別根據(jù)所采集到的樁身測(cè)點(diǎn)的波形圖按表3進(jìn)行判定[5]。

表2 樁身完整性判別特征

表3 樁身混凝土質(zhì)量判斷聲學(xué)參數(shù)變化表

2.2 樁身結(jié)構(gòu)完整的波形圖

在樁身結(jié)構(gòu)完整的波形圖中，聲速曲線、波幅曲線和PSD曲線在樁身的檢測(cè)范圍內(nèi)均應(yīng)是平滑、完整的曲線，各剖面所測(cè)試的波速、波幅的測(cè)值均大于臨界值，PSD曲線也無(wú)大的凸起現(xiàn)象。圖3是樁身結(jié)構(gòu)性完好的典型波形圖，該樁的樁徑為1 250 mm，樁長(zhǎng)51.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。圖中，3個(gè)剖面的各聲學(xué)參數(shù)均無(wú)異常，聲速(見(jiàn)表4)和波幅(見(jiàn)表5)均大于臨界值，故此樁的樁身等級(jí)為Ⅰ類樁。樁身范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)完好的典型時(shí)域波形如圖4所示，在該圖中測(cè)點(diǎn)的首波清晰可辨，波幅和波速在整個(gè)測(cè)點(diǎn)波形范圍內(nèi)變化穩(wěn)定，聲時(shí)均勻無(wú)突變，波形正常，故可判定樁身質(zhì)量完好。

2.3 常見(jiàn)的樁基缺陷對(duì)應(yīng)的波形圖

2.3.1 局部夾泥

樁身有局部夾泥缺陷的波形圖如圖5所示，相應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表4和表5。該樁的樁徑為1 000 mm，樁長(zhǎng)53.0 m，樁身采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。在該波形圖中A—B、A—C、B—C的三個(gè)剖面的波形圖在圖形的底部有明顯的“尖角”存在，在“尖角”處樁身測(cè)點(diǎn)的波速突然減小，PSD判據(jù)明顯增大，波幅降低。該圖中3個(gè)剖面聲學(xué)參數(shù)發(fā)生變化的部位均在同一深度，并且在該處的聲速均小于聲速的臨界值，故此樁身的類別為Ⅲ類樁，如果圖5中只有一個(gè)剖面異常，其它剖面正常，此時(shí)的樁身類別信號(hào)就變成了Ⅱ類樁。

表4　不同類樁的聲速值

注：①為平均值/(km/s)；②為臨界值/(km/s)；③為標(biāo)差值/(km/s)；④為離差值/%。

表5　不同類樁的波幅值

注：①為平均值/dB；②為臨界值/dB；③為標(biāo)差值/dB；④為離差值/%。

圖3 樁身結(jié)構(gòu)完好的聲學(xué)圖像

圖4 樁身測(cè)點(diǎn)完好的波形圖

圖5 樁身局部夾泥的聲學(xué)圖像

在含有夾泥缺陷的測(cè)點(diǎn)處，典型的時(shí)域波形圖如圖6所示，在該圖中測(cè)點(diǎn)信號(hào)的首波清晰可辨，波幅明顯降低，波形發(fā)生畸變。

圖6 夾泥處的測(cè)點(diǎn)波形圖

2.3.2 局部斷樁

對(duì)于樁基來(lái)說(shuō)，在某一段范圍內(nèi)所測(cè)試的樁身3個(gè)剖面連續(xù)夾泥(如圖7所示)，這時(shí)便懷疑樁基斷樁，超聲波測(cè)試出的信號(hào)典型特征為：在缺陷范圍內(nèi)，聲波波速明顯降低，波幅明顯減小，PSD值也隨之變大。圖7為樁身直徑1 250 mm、采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土灌注樁身，從樁頂標(biāo)高向下31.0 m位置處開(kāi)始進(jìn)行密測(cè)的樁身完整性檢測(cè)波形圖。該樁所檢測(cè)的3個(gè)剖面在27.7 m附近的波形明顯異常：聲速普遍降低，波幅普遍明顯衰減，PSD曲線在該處發(fā)生紊亂(聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4和表5)。此波形是明顯的樁身斷樁信號(hào)，樁身等級(jí)為Ⅳ類樁。

圖7 樁身局部斷樁聲學(xué)圖像

圖8中列出了在斷樁缺陷范圍的4種測(cè)點(diǎn)波形圖。波形的典型特征為：波形不完整、不連續(xù)，首波不明顯或者無(wú)法確認(rèn)首波，波形嚴(yán)重畸變甚至無(wú)法采集到波形。

圖8 在斷樁范圍內(nèi)采集的測(cè)點(diǎn)波形圖

2.3.3 聲測(cè)管局部?jī)A斜或局部彎曲變形

混凝土灌注樁在施工的過(guò)程中，如果聲測(cè)管發(fā)生偏移或者彎曲，那么灌注樁樁身所埋設(shè)的各聲測(cè)管便不再平行，在檢測(cè)樁基時(shí)聲波的聲學(xué)參數(shù)在聲測(cè)管發(fā)生偏移或者彎曲的區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生明顯變化。圖9為聲測(cè)管在傾斜或彎曲時(shí)的一種波形圖，相應(yīng)聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4和表5。該樁的樁身直徑為1 250 mm，樁長(zhǎng)為49.0 m，樁身采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土。在該波形圖中，A—B、A—C、B—C三個(gè)剖面的聲速曲線在樁身的底部發(fā)生了明顯的異常，但是在聲速異常的區(qū)域波幅變化穩(wěn)定。此時(shí)表示所檢測(cè)樁基的2根聲測(cè)管在樁身底部發(fā)生偏移或者彎曲，使得聲測(cè)管的管間距在樁身的底部發(fā)生變化。由于這種聲學(xué)參數(shù)異常的情況是由聲測(cè)管的異常引起的，并且在各剖面的聲速和波幅均大于臨界值，故此波形對(duì)應(yīng)的樁基可以判為合格。

圖9 聲測(cè)管局部彎曲聲學(xué)圖像

樁身聲測(cè)管彎曲或傾斜測(cè)范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖如圖10所示，在圖10所示的波形圖中，測(cè)點(diǎn)波形發(fā)生畸變，測(cè)點(diǎn)聲時(shí)減小，波速明顯增加，首波發(fā)生異?；蛘邿o(wú)法確認(rèn)首波。

圖10 聲測(cè)管彎曲時(shí)的測(cè)點(diǎn)波形圖

2.3.4 局部離析

離析是混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的缺陷之一，圖11表示的是樁徑為1 250 mm，樁長(zhǎng)為49.0 m，樁身采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土樁的檢測(cè)波形圖；相應(yīng)聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4和表5。在該波形圖中，混凝土局部離析的部位形成一個(gè)個(gè)的尖角(如圖11中B—C剖面、A—C剖面所示)，在離析處所采集到的信號(hào)波速突然變大，波幅驟減，PSD判據(jù)值也隨之變大，圖11所示的樁身等級(jí)為Ⅱ類樁。

圖11 灌注樁局部離析對(duì)應(yīng)的聲學(xué)圖像

在局部離析處(尖角的位置)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖如圖12所示，在該類缺陷的測(cè)點(diǎn)波形圖中首波發(fā)生紊亂現(xiàn)象，波形有些畸變，聲時(shí)增大，波幅減小。

圖12 灌注樁離析處對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖

2.3.5 樁底沉渣

樁底沉渣是鉆孔灌注樁常見(jiàn)的病害之一，在施工過(guò)程中常常因?yàn)榍蹇撞粡氐锥纬蓸兜壮猎o樁基的工程質(zhì)量留下隱患。當(dāng)樁基具有樁底沉渣缺陷時(shí)所檢測(cè)的樁身波形如圖13所示，聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4和表5。該樁的樁徑為1 250 mm，樁長(zhǎng)53.0 m，樁身采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土。在該波形圖中，樁底附近的聲學(xué)參數(shù)發(fā)生明顯變化，具有沉渣缺陷的部位波速在2 000 m/s左右(跟聲波在泥的介質(zhì)中傳播的波速相近)，波幅幾乎全為0 dB，在沉渣跟樁身質(zhì)量完好的混凝土樁交界面處判據(jù)驟然增加，在此交界面處PSD曲線形成一個(gè)較大的尖角，聲速曲線在樁底變成“L”形曲線，聲速和波幅值連續(xù)低于臨界值。此類信號(hào)的樁身等級(jí)應(yīng)結(jié)合相關(guān)規(guī)范根據(jù)沉渣的厚度來(lái)做判斷，如果沉渣的厚度大于規(guī)范的要求，那么該信號(hào)對(duì)應(yīng)的樁身為不合格樁；若沉渣的厚度小于規(guī)范的要求，則該信號(hào)對(duì)應(yīng)的樁身等級(jí)可判為Ⅱ類樁。

圖13 鉆孔灌注樁樁底沉渣對(duì)應(yīng)的聲學(xué)圖像

在樁底沉渣處的典型測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖如圖14所示，該圖列舉了4種典型的測(cè)點(diǎn)波形圖，這些波形普遍存在著波形嚴(yán)重畸變，首波無(wú)法確認(rèn)，波形不連續(xù)、不完整，聲時(shí)顯著增大，波速普遍低于臨界值的特征。

圖14 樁底沉渣對(duì)應(yīng)的4種測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖

3 結(jié)束語(yǔ)

超聲波透射法是目前工程上檢測(cè)大直徑灌注樁的一種無(wú)損檢測(cè)方法。利用聲波透射法檢測(cè)的波形信號(hào)，結(jié)合聲時(shí)、波幅、波速和其它的一些參數(shù)，可以準(zhǔn)確的判斷樁身是否存在缺陷。文中以埋有3根聲測(cè)管(3個(gè)剖面)的灌注樁為例，結(jié)合河北石家莊某工程項(xiàng)目，給出了夾泥、斷樁、離析、聲測(cè)管彎曲等混凝土灌注樁常見(jiàn)的缺陷波形圖，并將波形圖與缺陷對(duì)應(yīng)的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，較好的給出了波形圖的缺陷識(shí)別。并對(duì)這些信號(hào)做出明確的分類，可為相關(guān)工程質(zhì)量檢測(cè)提供一定的依據(jù)。

[1]劉雨嵐.超聲波、低應(yīng)變反射波法在基樁工程中的對(duì)比檢測(cè)[J].甘肅技術(shù),2016(32):76-77

[2]李 飛.淺析基樁超聲波透射法檢測(cè)中聲測(cè)管施工問(wèn)題[J].應(yīng)用技術(shù),2012(13):21-22

[3]王 駿，李 凡.聲波透射法在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用[J].工程與建設(shè),2016(30):88-90

[4]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10218—2008 鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008

[5]劉德貴，姚 勇，王 寧.超聲波透視法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用[J].路基工程,2009(2):159-161

On the Application of the Acoustic Transmission Method to the Testing of Bored Piles

JIA Yankang1,LI Weizhen2，ZHANG Yunqing1

(1.College of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043;2.College of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

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.

bored pile;quality test;waveform;ultrasonic transmission method

2016-04-06

賈顏康(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闃痘鶛z測(cè)。sjztdjyk@163.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.018

TU473.16

A

1672-3953(2016)05-0064-06