超聲波法在橋梁樁基檢測中的應用研究

陳王劍

(貴州省交通科學研究院有限責任公司)

0 引 言

樁基作為我國橋梁工程最為常用的基礎形式，具有承載能力較高以及抗震性能強的特點，能夠將橋梁工程上部結構的荷載有效的傳遞到土層或者巖層結構中，對于提高橋梁工程的穩定性，緩解橋梁基礎的沉降也具有重要的作用。然而由于樁基施工作業過程中容易受到工程地質條件、施工工藝、施工水平以及作業管理等各方面因素的影響，導致橋梁樁基出現斷裂、縮頸、混凝土離析或者是夾雜泥沙等問題的發生，不僅影響樁基的承載能力，甚至有可能造成橋梁工程安全事故的發生。因此，必須強化橋梁樁基檢測管理，尤其是樁基的無損檢測技術，以便于評估橋梁樁基的結構狀態，確保樁基工程施工質量以及橋梁工程整體結構的安全可靠。

1 超聲波法進行樁基試驗檢測的基本原理

采用超聲波法進行樁基檢測，根據超聲波的傳播以及接收途徑不同，可以分為回波法以及透射法兩種形式。回波法主要適用于均勻的介質，例如對于金屬等結構的檢測。對于主要由非均勻的混凝土以及鋼筋等材料組成的樁基，主要是采用透射法進行試驗檢測。

利用透射法檢測橋梁樁基的原理為在橋梁樁基工程施工階段，在混凝土樁基內事先預埋檢測管作為超聲波法的檢測通道，并在檢測管內灌注足量的清水作為試驗檢測的耦合劑，然后將超聲波檢測設備的超聲波發射探頭與接收探頭置于聲測管的兩側，超聲波檢測設備所發出的超聲波脈沖在經過需要檢測的樁基后，由接收器接收，進而得到超聲波脈沖經過樁基的時間、超聲波穿過后的波幅、超聲波的主頻率、超聲波波形以及頻譜等一系列的參數。由于超聲波在混凝土傳播的過程中，超聲波的強度會發生散射、吸收或者是擴散衰減，因而可以通過這些參數作為判斷分析的依據，對混凝土樁基的施工質量以及存在缺陷的位置進行判斷分析，并對樁基混凝土的強度以及均勻性作出最后的評價。利用超聲波法進行樁基檢測的原理如圖1 所示。

圖1 超聲波法進行樁基試驗檢測示意圖

2 超聲波透射法樁基檢測的準備工作

(1)預埋聲測管。利用透射法檢測樁基工程質量需要在樁基內事先預埋聲測管，對于樁基直徑不足1.5 m 的情況一般埋設三根聲測管，樁基直徑在1.5 m 以上的通常需要埋設四根聲測管以便于對樁基施工質量進行檢測。聲測管的材質盡量選擇使用金屬管，管間的連接宜采用螺紋連接，聲測管內徑應該至少大于換能器的外徑1.5 cm。聲測管可以采取與鋼筋籠一同綁扎的方式安裝，并在聲測管的地步進行封閉，管口高出樁基30 cm，為避免雜物進入應加封口蓋。聲測管埋置方式如圖2、圖3 所示。

圖2 圓形樁聲測管布置圖

圖3 矩形樁聲測管布置圖

(2)儀器設備的檢查。在開始樁基質量檢驗之前，應該對超聲波法的試驗儀器設備進行檢查，確保通電后各項儀器設備的正常。儀器設備主要有聲波測試儀、換能器(通常使用柱狀徑向振動的換能器)以及顯示系統組成。此外，還應該對超聲波透射法檢測的延遲時間以及聲時修正值進行檢測，聲時修正值t'的計算公式所示

式中:D 為聲測管的外徑，mm;D 為聲測管內徑，mm;d'為換能器外徑，mm;vt為聲測管壁厚度方向聲速，km/s;vw為水的聲速，km/s。

3 超聲波透射法樁基質量檢測

3.1 超聲波透射法試驗檢測流程

首先應該將發射換能器以及接收換能器在安裝扶正器后置于聲測管之中，并確保能夠在聲測管內部順利的升降。然后調整超聲波檢測儀器的具體參數，使接收信號具有較高的信噪比，波幅能夠在顯示器中得到確認。測點的間距應當在0.2 ～0.5 m 左右，如果在試驗檢測過程中發現異常情況，應該適當的對測點進行加密。發射以及接收換能器應該在同一標高或者是相差固定的高度進行檢測，檢測盡可能的從聲測管的底部自下而上的開展，對超聲波的行聲時、波幅及接收波頻率等參數進行測量，對于各種不正常的波形應當及時的記錄，并通過平測、斜測、雙向斜測及扇形掃測等方式進行加密測量。對于存在多根聲測管的樁基，應該以兩根聲測管作為一組，分組進行樁基質量的試驗檢測。

在對樁基的每組聲測管試驗檢測結束后，應該對樁基進行隨機的重復性的試驗檢測，抽檢量應該控制在樁基試驗檢測量10% ～20%，盡可能的控制聲時相對標準差在5%范圍內，波幅相對標準差在10%范圍內，對于聲時及波幅存在明顯異常的情況應該進行重復測試，以準確的反映試樁基驗檢測質量。

3.2 超聲波透射法樁基檢測數據的處理

(1)聲時、聲速值以及波幅衰減值的計算。聲時、聲速值以及波幅衰減值等試驗檢測指標的計算公式(2)所示

式中:tci為樁基第i 測點的聲時，us;Ti為第i 測點的聲時原始測量值，us;t0為超聲波檢測系統的延遲時間;t 為聲時修正值;I 為兩根聲測管外壁間的凈距;Vi為第i 測點的聲速，km/s;A 為第i 測點的聲波波幅衰減值;Ai為第i 測點的聲波波幅值;C 為常數CA/D 轉換的最大值。

(2)橋梁混凝土樁基完整性的確定。對于混凝土樁基完整性的判斷，主要是結合臨界值、聲速、波幅衰減臨界值等幾項指標進行確定。橋梁混凝土樁基缺陷的判定條件公式(3)所示

式中:VD為超聲波的聲速臨界值，km/s;Vm為聲速平均值，km/s;Sv為聲速標準差，km/s;AD為波幅衰減臨界值，dB;Am為波幅衰減平均值，dB。

對于測試結果，如果同時滿足Vi＜VD和Ai＞AD公式條件時，表明該測點可視為缺陷點，但是如果僅僅滿足Vi＜VD公式條件時，可以初步判定為橋梁樁基的可疑缺陷點。此外，在對樁基的完整性進行判定過程中，還應該綜合對頻率和接收波波形等進行分析。在明確同一樁基的缺陷測點之后，應該對樁基整體施工質量進行評定，利用超聲波透射法檢測橋梁樁基完整性的具體評定方法如表1 所示。

表1 超聲波檢測抗完整性評定表

4 結 語

超聲波法作為橋梁樁基無損檢測的重要方法，可以準確的反映橋梁樁基的實際情況，而且技術成熟可靠，操作簡單方便，對于提高樁基試驗檢測效率具有重要的作用。相關技術檢測人員在利用超聲波法進行樁基試驗檢測過程中，必須明確超聲波法的工作原理，嚴格按照《公路工程基樁動測技術規程》中的相關要求進行操作，并科學合理的進行數據的分析處理，確保超聲波檢測的準確度，為橋梁樁基工程施工質量控制提供嚴謹的評判依據。

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