樁身檢測的聲波透射法及對缺陷位置與體積的定性確定

連云飛

【摘 要】高層建筑及橋梁等構筑物的主要基礎形式多采用混凝土灌注樁，由于單樁承載力大，施工方便，施工進度快等一系列優點，成為建筑工程的首選基礎形式。由于灌注樁在灌注混凝土時均在水下進行，造成了對灌注質量監控的困難，往往會構成一些質量缺陷。常見的樁基缺陷主要有縮頸、夾泥、斷樁、集中氣孔、樁頂低強、孔洞、嚴重離析、樁底沉渣等，影響整個工程結構的穩定。

【關鍵詞】樁身檢測；聲波透射法；缺陷位置；缺陷體積；定性確定；無損檢測；隱蔽工程

0 引言

聲波透射法是通過將超聲探頭放入預埋在樁身內部的縱向聲測管道，超聲波透過耦合介質在混凝土內部傳遞，對樁身進行逐段探測的方法。因此，聲波透射法對樁身混凝土缺陷的判斷，比其它低應變動力法更為直觀可靠，尤其是當樁身內部存在多重缺陷的情況，避免了低應變法對下層缺陷的漏判。因此，在工程實踐中，人們越來越認識到超聲波檢測的優越性，并獲得了廣泛的應用。

一般認為，灌注樁的質量通常包含兩方面的內容：其一是樁的承載力；其二是樁內混凝土的密實度、連續性、均勻性及其強度，即所灌注的混凝土內部是否存在缺陷和達到所要求的強度等級。實踐證明，灌注樁（尤其是大直徑灌注樁）的質量主要是由后者控制的，這是由于灌注樁施工時很易形成缺陷，而缺陷樁的早期承載力未必達不到設計要求；據某地對200多根樁進行控制性壓樁試驗結果進行統計發現，其中有10%-15%的缺陷樁，而承載力不能滿足要求的僅占5%-10%，那些承載力已達到要求的缺陷樁，在長期應力及地下環境的侵蝕下，仍有可能失去承載能力；灌注樁應以樁身混凝土的連續性、完整性和均勻性及強度作為質量主要指標。

1 聲波透射法檢測樁身缺陷的原理

超聲波在混凝土的傳播過程中攜帶著有關混凝土材料性質、內部結構與組成的信息，當超聲波在傳播路徑上遇到缺陷時，會在局部范圍內繞射、散射和反射，因而可以通過超聲波能量的衰減、波速的變化和波形的畸變，就可以推斷混凝土的性能、內部結構與組成情況。超聲波對混凝土缺陷的檢測采用以下4點作為判別缺陷的基本依據：

（1）根據低頻超聲波在混凝土中遇到缺陷時的繞射、反射、散射現象，按照聲時及聲程的變化，判別并計算缺陷的大小；

（2）根據超聲波在缺陷界面上產生散射及被吸收，接收探頭接收到的能量顯著衰減，據此判斷缺陷的存在及大小；

（3）根據超聲脈沖不同頻率成分在遇到不同缺陷時衰減的程度不同，接收頻率存在各異性，或依據接收波頻譜與反射波頻譜之間的差異，判別樁基混凝土內部缺陷；

（4）根據超聲波在缺陷處的波形連續性遭到破壞，造成接收波不同頻率和相位的疊加使得波形畸變的現象判別缺陷。

2 聲波透射法對樁身缺陷位置與體積的定性確定

2.1 樁身缺陷的豎向范圍

當采用常規的超聲波水平同步法對樁基進行檢測時，根據前述4點判據對樁基質量產生疑問，懷疑其存在缺陷時，需要對重點部位加密測量和斜測，藉此確定缺陷的范圍。

對可疑測區，首先進行加密檢測，由常規測量點距25cm縮至5cm-10cm，核實可疑測區的異常情況，并確定藉此異常部位的縱向范圍；然后通過斜測法對異常區域做進一步的探測。所謂斜測法就是將發射、接受換能器錯開一定的高程差，錯開距離一般在1m-2m之間，在聲測管內以相同的提升速度同步提升進行測試，斜測又可以分為單項斜測與交叉斜測，如圖1所示。

圖1 示意圖

在樁頂或者樁底斜測范圍受限制時，為了減少換能器的升降次數，扇形檢測可以作為一種輔助手段。扇形檢測就是將一只換能器固定在某高程不動，另一只換能器依次逐點移動，將測線按扇形分布，扇形掃測時可以選擇各種不同的發射點。由于在扇形掃描中各測點測距不等，雖然波速可以通過計算得到，但振幅測值的可比性較差，所以并不常用。

通過多次多個方向的透射，逐次獲得這個陰影區的一部分邊界位置，利用重疊的方法獲得整個陰影區的邊界，查明缺陷的空間位置和幾何形狀；利用作圖的方法可以確定局限性缺陷在樁身橫截面中的邊界，把多個檢測剖面中同一個橫截面的缺陷邊界投影到該橫截面上去。

需要只指出的是：由于混凝土是一種彈粘塑性體，結構多相性，超聲脈沖波在混凝土內部傳播過程中，混凝土內部存在大量的低頻波的繞射和漫反射，在確定陰影邊界的時候有必要對混凝土缺陷界面的聲波進行綜合分析，才能準確定位，即便如此，采用陰影重疊法或得的缺陷邊界也是很模糊的。

2.2 樁身缺陷的平面范圍

利用缺陷位置與有限介質內接收聲場的關系（圖2）：

圖2 缺陷在聲場的不同位置

2.2.1 缺陷在A處時，處在發射接收聲場內，且通過發射、接收的連線，此時，聲波需要繞過缺陷區域才能達到接收換能器，聲程加長，導致聲時變大，波速下降，由于缺陷對聲能的吸收，波幅會下降。

2.2.2 缺陷在B處時，處在發射接收聲場內，但沒有通過發射、接收的連線，此時聲時為正常穿越時的聲時值，無任何變化，由于缺陷對聲能的部分遮擋與吸收，導致波幅下降。

2.2.3 缺陷在C處時，處在發射接收聲場外，聲波在發射——接收范圍能正常傳播，能量無損失，聲時、波幅、波速都無任何變化，即發現不了缺陷C。

當埋設三根以上聲測管時，根據有效聲場的概念，（下轉第98頁）（上接第117頁）可以聲時、波幅來推斷水平面上的缺陷分布范圍。

（a） （b） （c） （d）

圖3 缺陷范圍圖

（1）對樁基3個測面進行超聲波檢測后，如果AB檢測面波幅、聲時出現異常；BC檢測面的波幅異常，聲時正常；AC檢測面無異常狀態，那么我們可斷定缺陷分布范圍如圖3（a）圖所示。

（2）對樁基3個測面進行超聲波檢測后，如果僅AB測面聲學參數出現異常，AC、BC面均正常，我們可以斷定缺陷分布范圍如圖2.3（b）圖所示。

（3）如圖3（c）所示，C聲測管周圍被泥團包裹，經聲波透射法后，AC、BC檢測面均會出現異常波幅、波速。這種情況極易造成對樁基質量的誤判，因此不宜盲目的定下結論，需對樁基進行加密檢測和斜測，綜合各種判據后做最后結論。

（4）如圖3（d）所示，當缺陷處于樁基的中心位置時，正好是3個聲測管接收聲場范圍以外，數據檢測的盲區，也是容易出現誤判的情況，因此，當對3根聲測管的樁基聲波透射法有疑問，需要鉆孔取芯驗證的時候，不可在樁基中心鉆孔。

3 結束語

總之，基樁的準確檢測對于各類建筑物基礎乃至上部結構的設計起著舉足輕重的作用。如果能準確的判斷出缺陷的類型、測出缺陷的位置及程度，能夠較準確的指導后面的缺陷處理工作，從而很好的解決問題。缺陷的定量分析在樁基檢測的評定中也占據很重要的地位，只有準確的知道樁的缺損程度，才能確定其對樁基承載能力的影響程度，以便對樁作出整體評價，采取合理的補救措施。

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[責任編輯：曹明明]