聲波透射法在樁基檢測中的應用淺析

梁洪國 李 明

1 聲波透射法檢測原理

混凝土是由多種材料組成的多相非勻質體。對于正常的混凝土,聲波的傳播速度是有一定范圍的,當傳播路徑遇到混凝土有缺陷時,如斷裂、裂縫、夾泥和密實度差等,聲波要繞過缺陷或在傳播速度較慢的介質中通過,聲波將發生衰減,造成傳播時間延長,使聲時增大,計算聲速降低,波幅減小,波形畸變,利用超聲波在混凝土中傳播的這些聲學參數的變化,就可分析和判斷,確定樁身混凝土缺陷的范圍、程度及空間位置,從而推斷和評定樁身混凝土質量。

聲波透射法的試驗裝置包括超聲檢測儀、超聲波發射及接收換能器(亦稱探頭)、換能器標高控制絞車、數據處理計算機等。

聲測管應焊接或綁扎在鋼筋籠內側埋設到樁底;為便于檢測,管口應高出檢測工作面300 mm以上,管口高度宜一致。聲測管管底、管口及接頭必須密封,保證聲測管暢通,管壁完好。聲測管在樁中位置應等分樁的圓周;聲測管之間應保持平行、間距應基本保持均勻。

聲測管埋設數量應根據樁徑來確定(見圖1),應符合下列要求:

D≤1 000 mm時,宜埋設兩根管。

1 000 mm＜D≤2 000 mm時,宜埋設 3根管。

D＞2 000 mm時,宜埋設4根管(其中,D為受檢樁設計樁徑)。

在樁基礎完整性檢測中,超聲波透射法的檢測范圍可覆蓋整個樁身的各個斷面,無檢測盲區,并且不受樁長、樁徑及場地的限制,檢測快捷方便。這種方法的缺點在于需要在基樁中事先預埋聲測管,增加了工程造價,且不能有效檢測出擴頸和輕微的縮頸等缺陷。

2 判斷混凝土質量的聲學參數

2.1 聲速

聲速的測試值比較穩定、重復性較好,受非缺陷因素影響較小,在同一根樁的不同剖面以及同一工程混凝土配合比相同的不同樁之間可以相互比較,是判定混凝土質量的主要參數,但聲速對缺陷的敏感度不及波幅。

2.2 接收波的波幅

接收波波幅通常指首波波幅,即第一個波的前半周期的幅值,在發射波強度一定的情況下,波幅值的大小直接反映了超聲波在混凝土中傳播衰減的情況,波幅對缺陷很敏感,是判斷混凝土質量的另一個重要參數。但波幅的測試受儀器設備性能、換能器耦合狀態以及測距等諸多因素影響,目前只能作為同條件下(同一儀器、同一狀態、同一測距)的相對比較,在同一根樁的不同剖面或不同樁之間不具備可比性。

2.3 接收波的波形

接收波形也是反映混凝土質量的一個重要信息,它對混凝土內部的缺陷也很敏感,在現場檢測時,除逐點讀取首波的聲時、波幅外,還應注意觀察整個接收波形態的變化,作為聲波透射法對混凝土質量進行綜合判定時的一個重要參考信息。

3 缺陷判斷

鉆孔灌注樁在施工中易產生的缺陷主要有以下幾種:蜂窩、孔洞、擴徑、縮頸、離析、砂礫、夾層、泥砂夾層。

目前,《基樁低應變動力檢測規程》中制定了三種判定樁身有無缺陷的方法:1)數值判斷法;2)PSD判斷法;3)波幅判斷法。

3.1 數值判斷法

數值判斷法是利用數理統計學原理,在保證聲測管兩兩基本平行且管距基本相等的情況下,則聲時平均值與聲時2倍標準差之和作為判定樁身有無缺陷的臨界值。該方法是建立在聲測管基本平行、管距基本相等、混凝土均勻、數值符合正態分布的前提下,缺陷判定才比較準。但是,由于工程管理、施工水平和混凝土離散性大,聲測管不平行且管距不等諸因素的影響,使聲時標準差偏大,導致缺陷易漏判。

3.2 PSD判據法(Product of Slope and Difference)

PSD判據即聲時—深度曲線相鄰測點的斜率與相鄰兩點聲時差值的乘積來判斷。PSD對缺陷很敏感,在聲時—深度曲線上可明顯地反映出缺陷的位置及性質。當聲測管不平行時,由于相鄰測點聲時差值變化不大,故PSD還可解決聲測管傾斜問題。當遇低強且均勻的混凝土或相鄰測點均在缺陷區時,由于聲時值的變化也不大,在聲時—深度曲線上反映不出缺陷,易漏判,需用波幅衰減、聲速、波形畸變來綜合判定。

3.3 波幅判斷法

聲波在穿過有缺陷的混凝土時,其聲能要被衰減,聲參量波幅會比聲速對缺陷更敏感。《基樁低應變動力檢測規程》中規定可采用接收信號首波能量平均值的一半作為判斷缺陷臨界值的標準,需指出的是,該判據利用了衰減對缺陷的敏感性。但為什么能量衰減一半正是判別缺陷有無的界限,這一點還缺乏理論依據和足夠的工程驗證資料,實際檢測中也容易檢測到能量衰減一半的值,但混凝土并無缺陷,這可能與混凝土本身是非均質材料,灌注過程中易產生小的蜂窩、孔洞有關,應謹慎使用該參數判斷。

3.4 樁身質量的判定標準

樁身完整性類別應結合樁身混凝土各聲學參數臨界值、PSD判據、混凝土聲速低限值以及樁身質量可疑點加密測試(包括斜測或扇形掃測)后確定的缺陷范圍,按規范的規定進行綜合判定。《基樁低應變動力檢測規程》規定的判斷標準為:

Ⅰ類樁:各檢測剖面的聲學參數均無異常,無聲速低于低限值異常。

Ⅱ類樁:某一檢測剖面個別測點的聲學參數出現異常,無聲速低于低限值異常。

Ⅲ類樁:某一檢測剖面連續多個測點的聲學參數出現異常;兩個或兩個以上檢測剖面在同一深度測點的聲學參數出現異常;局部混凝土聲速出現低于低限值異常。

Ⅳ類樁:某一檢測剖面連續多個測點的聲學參數出現明顯異常;兩個或兩個以上檢測剖面在同一深度測點的聲學參數出現明顯異常;樁身混凝土聲速出現普遍低于低限值異常或無法檢測首波或聲波接收信號嚴重畸變。

在檢測過程中不能根據某單一指標來確定是否有缺陷,而應綜合各個指標來分析是否有缺陷以及缺陷的范圍和程度。

4 常見問題或故障及處理

1)檢測信號突然消失。有兩種原因可產生該類現象:a.聲測管內無水;b.設備系統故障。檢查聲測管內是否有水,可在采樣狀態下,迅速往聲測管注水(以防聲測管破裂造成水大量外流)至現象消除,否則,將換能器提出聲測管,平行靠近(5 cm左右)放在空氣中,采樣、觀察是否有接收波形,無接收波形,則設備系統故障。2)判斷設備系統的故障部位。將故障的設備換上平面換能器,將平面換能器的輻射面平行相對,相距5 cm左右,進行采樣,如波形正常,證明超聲儀正常,僅僅是徑向換能器故障。若判斷換能器故障時,接上徑向換能器,進行采樣,如發射換能器發出響聲、無接收波形,則接收換能器故障;如發射換能器無響聲,僅將發射換能器更換成平面換能器,將平面換能器的輻射面對準徑向換能器的輻射體(中間部位),進行采樣,如有波形,則接收換能器完好、發射換能器故障,否則,收、發徑向換能器均有故障。3)發射正常、接收時好時壞。換能器剛下水測試時波形正常,一會兒波形逐漸異常,甚至無接收波形,提出聲測管后波形正常,或提出聲測管、待換能器干燥后波形正常。該現象是由于換能器信號線破損漏水、水密性喪失、遇水壓大時滲透到換能器主體造成,換能器故障,修復較為困難。4)樁頭最后一測點聲速、幅度急劇下降。某些樁在樁頭部位的最后一個或幾個測點的聲參量急劇下降,而樁頭部位混凝土表現良好。該現象可能是使用機械設備剔除樁頭時,引起聲測管與混凝土脫離(產生間隙)或者混凝土局部破損(產生裂隙)而造成,可在聲測管外壁或樁頭混凝土澆清水,該現象好轉。

5 結語

應用聲波透射法對灌注樁樁身進行完整性檢測,具有準確度高、可以由下而上逐點整樁全斷面的優點,不易漏判缺陷部位,檢測結果直觀反映了樁身各個部位混凝土的均勻性和存在缺陷的準確位置、缺陷的嚴重程度等方面的信息,而且檢測不受樁長和樁徑影響,是檢驗樁基樁身混凝土質量的一種科學的方法,但工程實際中影響因素眾多,如何避免誤差的出現,完善聲波透射的檢測技術,是需要研究和解決的一個問題,比如聲測管傾斜、盲區的測試等相關問題還需進一步研究,以期能使聲波透射法在樁基檢測中得以更好的應用。

[1]羅騏先.樁基工程檢測手冊[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]JGJ 106-2003,建筑基樁檢測技術規范[S].

[3]陳 凡,徐天平.樁基質量檢測技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.