淺析聲波透射法與低應變法綜合檢測樁基

覃 錕

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

樁基是公路橋梁采用較多的基礎，其質量關系到整座橋的工程質量。樁基由于受到地質條件和施工人員、機械、材料等條件的影響，容易產生斷樁、縮徑、擴徑、離析、樁底沉渣過厚、混凝土強度不足、夾層等缺陷。樁基檢測工作就是要找到這些缺陷進行處理，最普遍、簡單的檢測方法是聲波透射法和低應變法。本文根據現場檢測經驗，對兩種方法進行對比和總結，綜合兩種檢測方法的優點，提高對樁基缺陷判斷的準確率。

1 樁基的缺陷類型和成因

由于樁基施工工藝不合理或地質條件復雜等因素，樁基通常會出現各種缺陷，不同程度地影響樁基的承載能力：

(1)斷樁，指樁身斷裂或者斷開的情況，是一種嚴重的缺陷，直接影響樁基承載力。斷樁主要由外界壓力過大或者拔管過快造成。

(2)樁底沉渣過厚，指樁底與巖層之間存在過厚的軟弱層。對于端承樁來說，這種缺陷在很大程度上影響了樁基的承載力。這主要是清孔不干凈或者灌注前塌孔造成的。

(3)離析，主要是混凝土配合比不當或和易性不好，造成某一段混凝土骨料不均勻，混凝土呈現蜂窩狀或含砂過高的形態，這也直接導致了樁身強度偏低，承載力不足。

(4)夾泥、空洞、擴徑、縮徑，主要是混凝土材料沒有嚴格控制，混入了泥土；地基土質黏性大或者孔壁在混凝土灌注時出現輕微塌孔造成的。

本節分析出缺陷的成因及現象，有助于選擇檢測方法，更加直觀地分析檢測數據、判斷樁身缺陷。

2 聲波透射法檢測

2.1 聲波透射法原理

聲波透射法檢測就是利用波的傳播理論[1]。當混凝土樁存在缺陷時，混凝土就不再是一個均勻的整體，缺陷面就形成了一個阻抗面，應力波在阻抗面會產生反射和折射，波速和波幅也會發生相應的變化。而聲波透射法就是利用這一原理，在聲測管中向混凝土發射超聲波，超聲波在經過缺陷時，產生了繞射和散射，儀器接收到這些缺陷信息，將其與完整的信息參數作對比分析，就可以了解到混凝土內部的質量狀況。

2.2 聲波透射法判定依據

通過聲時、波幅、接收到的波頻率和波形以及分析后的PSD判據對樁基缺陷進行判斷。

(1)聲時是超聲波由換能器發出，穿過混凝土后接收器接收到超聲波的時間。如果混凝土質量沒有缺陷，當聲測管距離不變時，儀器接收到的聲時應當沒有太大變化；如果樁基存在斷樁、離析、空洞等缺陷時，超聲波到阻抗界面時會產生反射、透射和繞射，聲波傳播時間就會延長。儀器經過分析數據生成“聲時-深度”圖，就可以更加直觀了解到檢測剖面的情況了。

(2)波幅也是判定樁基是否存在缺陷的一個重要數據。混凝土的密實度會影響聲波波幅，樁身越密實，波幅越大；越松散，波幅越小。聲波通過缺陷形成的阻抗面時發生反射和散射，能量被大大削弱了。在聲波透射法中，我們以首波的波幅來判斷樁身是否存在缺陷。

(3)接收到的波頻率和波形也是我們判定樁身是否存在缺陷的依據，不同頻率的超聲波在混凝土中傳播的衰減量不同，混凝土內部質量越差，超聲波衰減越大，接收到的頻率越低。首波的第一個周期計算衰減的頻率比較準確。由于有各種各樣的缺陷界面，聲波經過缺陷面會產生反射和折射，這些雜亂無章的聲波互相疊加后形成新的波形，因此，接收到新的波形也可以判斷缺陷。

(4)PSD判據。由于工程多數是在野外施工，受種種條件的約束，灌注樁的均勻性往往較差。超聲波檢測得到的各項參數離散性較大，聲測管間距也存在變化。因此，其他參數使用概率法容易造成誤判。PSD判據可以有效克服該缺點，準確地分辨出缺陷。PSD判據利用“聲時-深度”曲線相鄰兩點的時間差和兩點連線的斜率的乘積作為判據，再結合其他參數情況來判定波形是否異常。這樣能夠消除聲測管偏差及樁身均勻性不足等因素對檢測的影響，有效地對缺陷進行判斷。

如果只依靠聲波透射法檢測樁基的指標評定很容易出現誤判、漏判，準確性差。只有結合多種數據類型，綜合評判才能得到可靠的結果。

3 低應變法

3.1 低應變法原理

低應變法是將樁身假設為一維彈性桿[2]。檢測前先將樁頂的軟弱層鑿除，然后根據樁徑大小設置傳感器的位置。檢測時錘擊樁頂形成應力波，應力波在樁身中向下傳播，當應力波遇到缺陷面時，由于波阻抗發生變化，入射波發生透射、反射、散射，傳感器接收到這些波形，通過對這些波形的分析，由反射波聲時可以推斷出樁長和缺陷深度；由反射波的正反向、波幅大小可以判斷缺陷的類型。低應變法的理論基礎實際就是一維彈性桿件的彈性波傳播理論。

3.2 現場檢測低應變的注意事項

(1)首先應當對樁基進行必要的處理，先鑿除樁頂軟弱層，使樁露出密實的混凝土面，根據樁徑的大小對樁基的傳感器進行布點，布點位要打磨光滑，這樣才能使傳感器有效粘結，也方便激振信號。

(2)激振時，傳感器和激振方向都要盡量滿足豎直向下，傳感器與樁身要耦合好，粘結劑通常選用黃油。粘結劑要求劑量適中，劑量過少容易造成傳感器不穩；劑量過多，傳感器接收到的數據質量會變差。錘擊樁頂時，應當盡量避開鋼筋區域，防止鋼筋產生干擾信號。

(3)應當根據樁徑、樁長的不同，選擇相適應的材質和質量的力棒，這樣才能獲得適合分析的低頻的寬脈沖或高頻的窄脈沖。用適當的能量豎直向下激振，使反射波形可以看到明顯的樁底信號。激振能量不應過大，能量過大會使樁周介質產生位移，干擾反射波形。還可以根據現場檢測情況來變換傳感器和激振位置，用不同的力棒敲擊來檢測樁基的深部和淺部缺陷情況[3]。

(4)在檢測現場應當對收集到的信號進行預判，如果不能得到預判結果，應當根據現場情況對該檢測點多次采集，若同一測點經過多次檢測收集到的信號不一致或同一根樁不同檢測點信號不一致時，應當適當增加檢測點。分析造成數據不一致的原因，如果樁頂有質量問題，應當對樁進行必要的處理后再次檢測。

低應變法是在理想條件下的檢測方法，當樁基的嵌巖深度過長，樁身和巖層波阻抗差異太小，反射波曲線無法分辨出樁底反射波形；當檢測長徑比超過一定限定的樁，高頻波不能到達樁底，低頻波分辨率不足，缺陷容易漏判。低應變法對淺層缺陷和太小的缺陷都無法判斷，局限性較大。

4 兩種檢測方法綜合分析

聲波透射法可以較直觀地發現缺陷位置，但只能對每一個剖面單獨進行統計和評估，當受檢樁基的同一個截面上多個剖面有不同的完整性表述出來時，很難對這根樁的質量等級進行評價。聲波透射法還受到埋設聲測管的影響，聲測管不平行就容易造成檢測結果與實際不符。如果樁長較長，在樁底聲測管很難做到平行，給檢測人員對樁基質量的判讀帶來困難。低應變法只能判斷出有無缺陷及缺陷的大概位置，不能直觀地發現缺陷。如果樁身嵌巖深度大或者土層的阻尼過大，則樁身的缺陷及樁底反射信號基本沒有辦法接收到，由此可見兩種檢測方法的綜合分析很重要[4]。采用聲波透射法和低應變法一起檢測樁基缺陷，一方面可以避免單一檢測方法的局限性，另一方面又可以用兩種方法相互驗證結果，增加了判樁的準確性，滿足客戶要求。

有一座在建橋梁，施工方法為機械沖孔樁，混凝土強度等級為C30，混凝土齡期均達到設計要求，對該橋采用聲波透射法和低應變法檢測，其中有一根樁基，設計樁長為10.8 m，設計樁徑為1 500 mm，檢測結果波形圖如圖1所示。

A-B面

A-C面

B-C面

經檢測AC剖面與BC剖面在10.0～10.8 m處聲時明顯延長，波速明顯降低，而AB剖面則無明顯變化，波形完整性較好。聲速、波幅、PSD值均顯示：在A-C、B-C兩個剖面，混凝土在10.0～10.8 m處出現異常，A-B面無異常，我們初步認為A-C與B-C剖面可能存在缺陷，但也有可能是聲測管傾斜導致聲時和波幅的變化。為了進一步確定缺陷的性質和程度，對這根樁基進行了低應變法檢測，得到如下波形(如圖2所示)。

圖2 樁基低應變檢測波形圖

通過低應變法檢測結果可以分析出樁身基本完整，波形光滑，無其他明顯缺陷，在10.8 m處樁底反射信號良好，不影響樁基承載力，可以認為圖1出現的問題是聲波透射法檢測中聲測管傾斜造成的缺陷信號，樁基本身無問題。

聲波透射法能比較直觀地確定缺陷位置，為檢測人員提供直觀的信息，但當有些缺陷存在一個或幾個剖面時，不能根據這幾個剖面來判定整根樁基的質量，這時利用低應變法來輔助檢測，就更容易從整體上給樁基質量定性。結合兩種方法來確定樁身的完整性更為有效，更具說服力。

本節通過實例分析了兩種檢測方法的特點，并認為兩種檢測方法對樁基進行綜合分析能夠彌補單一檢測方法的不足，更為有效地判斷樁基質量。

5 結語

(1)檢測結果受多種因素的影響，根據檢測結果不同的反應特征可以判斷出各種不同的樁基缺陷類型。很多時候，樁基檢測人員應當在現場檢測時詢問現場樁基施工情況和了解當地的地質情況，對這些因素進行綜合分析才能對缺陷的成因有準確的判斷。

(2)不同的檢測方法能夠提供樁基的多種物理特性數據，能夠更全面地分析樁基缺陷的成因。

(3)聲波透射法能夠更加直觀地反映樁基的缺陷細節，而低應變法能對樁基整體質量進行評價，兩種檢測方法運用于同一根樁基中，能讓檢測人員更加準確地分析樁基缺陷，得到令人信服的檢測結果。

總而言之，采用兩種檢測方法對樁基進行綜合分析，能更加準確地評價樁基質量。

[1]劉德志.聲波透射法準確判斷樁身完整性的應用研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2012.

[2]丁恒軒.低應變反射波法基樁質量檢測理論與應用[D].南京：南京理工大學，2012.

[3]王樹棟，鄭亞宏，舒 森，等.低應變法在樁基淺部缺陷檢測中的應用[J].路基工程，2011(1)：146-149.

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