低應變法和聲波透射法在合福鐵路中的應用及比較

王 嶺

（安徽中鐵工程技術服務有限責任公司，安徽 合肥 230023）

1 概述

合福鐵路客運專線北接合蚌客運專線和京滬高鐵，并通過它們直達北京，形成京福快速鐵路通道，線路全長806公里，速度目標值為350公里/小時。線路經過地質復雜的丘陵、山區及巖溶發育地區，基樁檢測難度大。

鐵路基樁完整性檢測目前常采用的方法有低應變反射波法、超聲波透射法，低應變法具有檢測方便、快捷、受地質條件影響大等特點，該方法一般用來對基樁的質量進行普查。聲波透射法具有檢測準確性高、相對方便、不受地質條件影響等特點，鐵道行業規定一般用于樁長大于40米或樁徑不小于2米的基樁或地質復雜區采用聲波透射法檢測。

2 低應變反射波法的原理

當混凝土樁的物理強度遠大于樁周土的物理強度時在樁頂沿垂直方向激發彈性應力波，應力波沿樁身傳播，當遇到樁底持力層及樁身質量缺陷位置上的波阻抗與正常混凝土波阻抗存在差異時會當部分應力波反射，反射。

（1）通過分析缺陷反射波

a.相位變化、頻率變化、多次反射性可判斷樁基的縮頸、擴警、松散、夾泥、離析、斷樁等質量缺陷現象。

b.振幅的大小可判斷缺陷的程度。

c.樁身缺陷位置應按下式計算：

其中：x——樁身缺陷至傳感器安裝點的距離（m）；

Δtx——速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差（ms）；

c——受檢樁的樁身波速（m/s），無法確定時用cm值替代；

Δf＇——幅頻信號曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差（HZ）。

（2）樁底反射信號明確時可以驗證樁長：在地質條件、設計樁型、成樁工藝相同的基樁中，選取不少于5根Ι類樁的樁身波速值計算其平均值乘以測得的樁底反射信號時間得到樁長值。

3 聲波透射法檢測原理

聲波透射法檢測需預先在樁身中預埋幾根聲測管，檢測時一根聲測管中的發射換能器到達設定位置發射高頻超聲波信號，同時在另一根聲測管中的接收換能器接收該高頻超聲波信號，量測并記錄信號到達的時間和能量及兩換能器的標高。連續不斷同步向上（或向下或往返重復）移動這一對導管中的兩個換能器進行連續檢測，直到完成整根導管范圍的混凝土檢測，通過實測測聲波在混凝土介質中的傳播時間、頻率和波幅衰減等聲學參數的變化對樁身完整性作出評價。

以上兩種方法有各自的適用范圍，筆者在合福鐵路客運專線基樁檢測過程中進行了一些對比研究。

4 工程實例

實例一：合福某特大橋7號墩,設計樁徑1.25米,齡期17天,設計樁長7米,混凝土強度等級C30,地質情況：從地表向下依次為強風化-弱風化泥質板巖。整個基坑波形類似，其中7號樁進行低應變檢測波形如圖2：

初分析此波形認為是淺層斷樁引起的低頻震蕩，但由于此樁樁長7米樁徑1米，長徑比小于10，達不到理論上的假設模型要求的長徑比大于10，再加上樁周被強風化和弱風化巖包圍，樁周土與樁身強度差別不大，所以這樣的低應變波形未包含反射信號，屬無效波形。

再對此樁進行聲波透射法檢測,數據如表1(由于篇幅原因，深度每0.5米列出一組數據)：

表1 聲波透射法檢測數據表

通過對聲波透射法數據分析,發現此樁混凝土無異常。由此例可以得出：當樁周土為強風化、弱風化巖，強度與樁身強度屬同一數量級時（此時樁長不般不長，長徑比經常達不到10）時，低應變反射波法經常采集不到有用信號波形，此時應當采用聲測波法檢測。

實例二：合福某大橋23號墩,設計樁徑1.25米,齡期28天,設計樁長42米,混凝土強度等級C30,地質情況：從地表向下依次為粉質黏土、粘土、強風化砂巖。此樁進行了低應變檢測波形如下：

分析發現淺層有一時顯的同向反射波形，從波形上來看應為離析、縮頸類缺陷。以此橋的平均波速4300m/s，計算得缺陷位置為1.8米附近。再對此樁某斷面進行聲波透射法檢測數據如表2：

表2 聲波透射法檢測數據表

分析聲波透射法數據得出此樁在1.8米附近沒有缺陷.但為什么低應變反射波法會有同向反射呢?后開挖驗證,此樁在1.8米處有一段約50cm縮頸,鋼筋籠沒有外露。對比得出低應變法對樁的淺層缺陷（盲區以外）較敏感，聲波透射法對聲測管以外的區域沒有檢測能力。

實例三：合福鐵路某大橋45號墩,設計樁徑1.25米,齡期28天,設計樁長27米,混凝土強度等級C30,地質情況：從地表向下依次為粉質黏土、粉砂土、粘土、強風化頁巖。對此樁進行了低應變檢測波形如圖4：

以上波形是典型的完整樁波形，波速4000m/s，從波形上分析沒有缺陷。再對此樁某斷面進行聲波透射法檢測數據如表3：

表3 聲波透射法檢測數據表

從聲波透射法數據來分析,此樁有兩個檢測剖面在18到18.25米兩個測點波速明顯降低。但為什么低應變反射波法沒有缺陷的信號反射呢?后取芯驗證,此樁在18.2米處有一段約35cm混凝土芯樣呈短柱狀，芯樣吻合率不太好。對比得出聲波透射法在對較輕的缺陷測試時優于低應變反射波法，且比低應變反射波法更準確、直接，低應變反射波法對處于樁下部缺陷不敏感。

5 結語

通過上幾個實例可以得出：

（1）低應變反射波法檢測受地質條件影響大。在地質復雜情況下，如山區一般樁身周圍為強度較高的巖石，此時樁長一般很短，長徑比達不到理論模型要求的大于10，這種情況下低應變法常常無法測得有用波形。此時應采用聲波透射法進行檢測。而《鐵路工程基樁檢測技術規程》（TB10218-2008）規定樁長大于40米或樁徑不小于2米或地質復雜條件下應埋設聲測管進行聲波透射法檢測，但有些設計單位容易忽視“地質復雜條件下應埋設聲測管”的規定，未預先埋設聲測管造成無法檢測的后果，只得采用取芯法檢測。

（2）低應變法對淺層缺陷較為敏感，聲波透射法對聲測管外圍缺陷無法測出。所以有提法說聲波透射法準確性比低應變法高也是有適用范圍的。

（3）低應變法對深度較深的小缺陷無法測出，而聲波透射法卻很容易測出。