聲波透射法樁基檢測在滬寧城際高鐵中的應用

李震東

1 工程概況

滬寧城際高速鐵路東起上海，西至南京，全線長約300 km。于2008年7月1日正式開工，預計2010年上海世博會之前投入運營。線路走向基本與原京滬鐵路滬寧線平行，設31個站點。滬寧城際鐵路設計時速為300 km，計劃運營時速為250 km，工程投資總額約394.5億元。

由于設計的運行時速很高，滬寧城際鐵路全線高架橋占80%。橋墩采用樁基礎形式，由于該地區地質條件復雜，地下水位偏高，粉土，淤泥質粉質粘土層較厚，地基土的承載力較弱，樁基采用鉆孔灌注摩擦型樁。每個墩身的樁基數在6根～39根不等，樁長在54 m～100 m之間。目前無損檢測灌注基樁完整性的主要方法有聲波透射法和應變反射波法，而對于超長或大直徑灌注基樁的檢測用聲波透射法比較簡單、直觀、有效。

2 聲波透射法原理及判據

聲波透射法檢測樁身完整性的基本原理是利用超聲波透射力強的特點，依據聲波在非均勻介質中傳播或混凝土中傳播遇到缺陷時產生聲時、波幅、波形和主頻等聲波的特征變化的性質，達到檢測混凝土樁基完整性的目的。灌注樁常見的缺點有:斷樁、局部截面夾泥或縮頸、混凝土離析、分散性泥團及蜂窩狀缺陷、集中性氣孔、樁底沉渣和樁頭強度偏低等[1]。如何具體的進行定性、定量準確判斷出各種缺陷的性質、類型，目前國家規范和行業標準中都沒有可操作性強的方法供參考，而且需要做何處理，也沒有相應的判斷標準，仍需通過經驗綜合判斷。JGJ 106-2003建筑基樁檢測技術規范中對各聲學臨界值進行了規定[2]。

聲速判據:

其中，vc為聲速的異常判斷臨界值;vm為聲速平均值;λ為統計數據個數相對應的系數;sx為聲速標準差。

波幅判據:

其中，Ac為波幅臨界值;Am為波幅平均值。

PSD判據:

其中，K為聲時—深度曲線相鄰測點聲時變化的斜率;Δt為相鄰測點的聲時差值。

規范沒有給出PSD判據缺陷的臨界值，PSD作為輔助判據，規范規定其在某深度處的突變，結合波幅變化進行異常點判定。

除此之外，在進行完整性判定時，還可以根據實測波形進行判定，有缺陷混凝土的波形有首波平緩，波幅小，波形不飽滿，有畸變等特征。在樁基檢測中，應該結合多個判據綜合來判定樁身的完整性。有些非缺陷因素也會影響聲學參數，比如混凝土的齡期、骨料種類、聲測管變形等因素。在檢測結果判定中，應綜合波速、波幅和PSD判據等參數，并結合施工工藝和施工的現場記錄來對樁身的完整性進行判定。

滬寧城際昆山至上海段樁基完整性檢測采用的儀器為北京智博聯公司生產的ZBL-U520A非金屬超聲檢測儀。

3 工程實測中常見問題與解決方法

滬寧城際昆山至上海段樁基總共有2萬根左右，由機械部第一勘察設計研究院負責檢測，由于樁基數量巨大，需要在實測中不斷的總結經驗，以提高檢測效率。

3.1 聲測管的清洗

在樁基檢測之前，必須先對聲測管進行清洗，以便能檢測到整個樁身的完整性。破樁頭時要注意保護聲測管里面不要掉細石進去。用高壓水泵或空壓機沖洗聲測管時，要用清水進行沖洗，如選用混有泥沙的水，泥漿沉淀后會造成樁底聲測管內沉渣而無法檢測。清洗完后，用測繩記錄沖洗的深度，有卡探頭的地方，需要記錄該深度位置，在管內注滿清水，并用木塊或布頭堵住聲測管口防止掉入泥沙細石。

3.2 卡探頭的處理方法

由于聲測管是由幾根鋼管焊接而成，而在焊接處如果處理不當容易卡探頭;聲測管彎曲變形，容易導致探頭放下去難以拉上來;聲測管里面有細石或其他東西容易導致探頭卡住。探頭卡在聲測管里面提不上來，宜輕輕上下抖動導線，往上提拉，如果不能提上來，可以在測繩上系一直徑與探頭相近的，長度20 cm左右的鋼筋頭，把鋼筋頭往下放到探頭深度處，測繩和電纜一起往上提拉把探頭引上來。由于卡探頭原因很多，往往鋼筋頭也會被卡住拉不上來，可以用有標度的鋼絞線代替測繩。此種方法比較簡便，優先選用。如果用鋼筋頭引不上來，可以采用沖洗聲測管的高壓水泵或空壓機，通過水管把卡住探頭的細石泥沙沖洗出來，不過此種方法費時費力，嚴重影響樁基檢測效率。

3.3 對線與拉線中的問題

在經常選用的平測方法中，需要把線刻度對齊，使得兩個探頭保持在同一深度。如果線沒對齊，會出現斜測情況，波速、波幅嚴重偏低，而數據處理采用平測的標準，導致誤判。在對線時，需要綜合考慮兩根聲測管高出樁頭的長度不一和提升裝置的滑輪高度等情況，適當把探頭往下多放10 cm～15 cm，以便能使儀器讀取到樁頭最上面一個點的數據。

由于摩擦樁對樁底控制不嚴，樁底地質情況復雜，開始檢測時，適當放慢探頭的提升速度，以便能及時操作捕捉到首波，波速數據正常之后可加快拉線速度，以提高檢測效率，到樁頭部位放慢拉線速度，防止用力過大探頭卡在滑輪處對其造成破壞。樁身數據有異常時，應放慢提升速度，以便能捕捉到首波的位置。

3.4 其他

在探頭往上提升時，管內水位會不斷下降，需要往管內加水，保證探頭提升到樁頭處，周圍有水來進行耦合。否則，儀器接收到的波形會發生畸變，波速、波幅低于正常值，而造成誤判。

由于檢測時條件惡劣，泥水較多，測試完后，如不對超聲波檢測儀、提升裝置、讀取位移的滑輪進行清洗、干燥處理，會嚴重降低其使用壽命。

4 工程實例分析

4.1 實例一

A號樁，樁長56.5 m，樁徑1000 mm，樁身混凝土強度等級C40，布置三根聲測管，聲測測點間距為0.25 cm，在澆筑的混凝土達到28 d齡期后對其進行檢測。1—2，1—3，2—3剖面聲速平均值分別為 4.298 km/s，4.171 km/s，4.460 km/s，標準差分別為0.2645 km/s，0.2429 km/s，0.3673 km/s;波幅平均值分別為101.34 dB，101.88 dB，102.19 dB。實測曲線如圖1 所示。

圖1 A號樁實測曲線

由圖1可以看出三個剖面在24.25 m～27 m處波速、波幅很低，測點的波形畸變嚴重，可以判定此處樁身存在嚴重缺陷。查閱施工記錄時發現灌注該樁時因暴雨引起較長時間斷電，導管拔出混凝土造成混凝土澆筑不連續，初步判定為Ⅳ類樁。需要結合抽芯取樣進一步判定。

4.2 實例二

B號樁，樁長64 m，樁徑1000 mm，混凝土強度等級C40，澆筑的混凝土達到28 d齡期后對其進行檢測。實測曲線如圖2所示。

數據分析軟件對1—2，1—3和2—3剖面計算出來的波速臨界值只有 1.602 km/s，2.864 km/s，2.649 km/s，不符合正常值水平。主要是因為聲速標準差太大。該樁在20 m～40 m處波形畸變嚴重，大部分波速低于3.0 km/s，波幅偏低，40 m處三個剖面PSD值很大。初步判定為Ⅳ類樁。由于無樁身灌注記錄，需要結合抽芯取樣才能分析缺陷的具體情況。

4.3 實例三

C號樁，樁長62 m，樁徑1000 mm，樁身混凝土強度等級C40，澆筑的混凝土達到28 d齡期后對其進行檢測。實測曲線如圖3所示。

圖2 B號樁實測曲線

圖3 C號樁實測曲線

由圖3可知C號管在22 m～35 m處發生變形，向樁中間傾斜，導致所測聲時偏低，聲速偏高，波幅正常，PSD值沒有突變的地方。而聲測管的變形導致了所測聲速標準差變大，軟件計算出的聲速臨界值1—2，2—3 剖面分別只有 2.576 km/s和 1.862 km/s，不在正常臨界值范圍內，需要對該段數據進行糾偏處理。綜合波速、波幅和PSD值三者的情況，判定該樁為Ⅰ類樁。

5 結語

超聲波透射法在樁基完整性檢測中，用于判定樁身缺陷的聲學參數——聲速、波幅、PSD和主頻各有特點，但均有不足。在樁身缺陷評判時，應采用以波速、波幅判據為主，PSD、主頻判據為輔的綜合判定法。由于透射法在應用中人為的主觀因素占很大比重，所以對有缺陷的樁應持謹慎態度，不要漏判，也不要夸大缺陷的嚴重程度，必要時結合反射波法或抽芯取樣法進行綜合評判。

[1]王正君.研究超聲波檢測灌注樁混凝土強度[D].哈爾濱:東北林業大學，2005.

[2]JGJ 106-2003，建筑基樁檢測技術規范[S].

[3]張冬美.低應變反射波法在樁基檢測中的應用[J].山西建筑，2010，36(6):118-119.