聲波透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

王 瓊

(福建東辰綜合勘察院 福建福州 350005)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑已成為城市建設(shè)的新地標(biāo)。在高層建筑中，樁基礎(chǔ)應(yīng)用十分廣泛。樁基在地震力作用下變形小，穩(wěn)定性好，是解決建筑物抗震問題的一種有效措施。但其作為地下隱蔽工程，施工中由于不確定因素可能導(dǎo)致樁基質(zhì)量難以估摸，并將左右樁基成樁質(zhì)量，其相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)直接決定了整個(gè)工程的安全。基此，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者、工程實(shí)踐者對(duì)樁基的質(zhì)量問題關(guān)注度日益攀升，樁基檢測(cè)方法也由此得到了迅速的發(fā)展，技術(shù)不斷成熟。

楊國(guó)強(qiáng)、張坷強(qiáng)[1]針對(duì)聲波透射法檢測(cè)樁基的影響因素展開研究，從基本原理出發(fā)，對(duì)10種影響因素進(jìn)行分析并得出有用結(jié)論；趙新華、王洪彪[2]通過樁基檢測(cè)實(shí)例介紹了聲波透射法的應(yīng)用，對(duì)實(shí)測(cè)波形進(jìn)行了分析；孫民[3]對(duì)聲波透射法中聲波的傳播規(guī)律進(jìn)行了理論研究，在理論研究的基礎(chǔ)上對(duì)樁基進(jìn)行了分析，最終以實(shí)際工程為案例對(duì)該方法的應(yīng)用情況作了較為詳細(xì)的總結(jié)；吳旭東[4]認(rèn)為利用聲波透射法進(jìn)行樁基完整性檢測(cè)時(shí)其本身帶有一定的局限性，主要體現(xiàn)在設(shè)備安裝、設(shè)備類型和檢測(cè)人員的主觀判斷等方面；張繼華等[5]為提高檢測(cè)精度，在理解聲波透射法原理的基礎(chǔ)上，采用多種方法相結(jié)合的思路對(duì)灌注樁完整性進(jìn)行了分析；孟新秋等[6]結(jié)合工程實(shí)例對(duì)灌注樁采以聲波透射法檢測(cè)，得出聲速和首波時(shí)判定的重要參數(shù)等結(jié)論。

本文以東南沿海福建某城區(qū)灌注樁聲波透射法檢測(cè)為工程實(shí)例，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)聲波透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用展開研究，對(duì)基樁聲時(shí)-深度曲線、聲幅-深度曲線、PSD曲線、各檢測(cè)剖面實(shí)測(cè)波列圖等進(jìn)行分析，供類似條件下的樁基檢測(cè)判定參考。

1 聲波透射法檢測(cè)原理

聲波透射法適用于已預(yù)埋聲測(cè)管的混凝土灌注樁身完整性檢測(cè)，判定樁身缺陷的程度并確定其位置。其基本原理是通過記錄超聲脈沖波在混凝土灌注樁中傳播過程表現(xiàn)的波動(dòng)特性。當(dāng)超聲波抵達(dá)混凝土缺陷面，該位置將形成波阻抗界面，聲波檢測(cè)儀接收到的透射波能量將明顯降低。當(dāng)混凝土灌注樁樁體內(nèi)部出現(xiàn)松散、蜂窩狀等缺陷，超聲波將產(chǎn)生散射和繞射，具體檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 聲波透射法檢測(cè)原理圖

2 聲學(xué)參數(shù)判據(jù)

聲音在混凝土中傳播的速度與混凝土成形質(zhì)量有關(guān)，一般混凝土自身強(qiáng)度越高，聲速越大。混凝土成形質(zhì)量越好，聲速越大。

波幅是聲音傳播能量的表現(xiàn)形式，灌注樁缺陷區(qū)對(duì)傳播能量的吸收和散射程度加大，相應(yīng)位置波幅值降低。波幅對(duì)混凝土灌注樁的缺陷存在最為敏感，是主要判據(jù)之一。

PSD判據(jù)是聲時(shí)-深度曲線上相鄰兩點(diǎn)斜率同測(cè)點(diǎn)聲時(shí)差的乘積，因此偏離該乘積值的位置可能屬于缺陷區(qū)，應(yīng)結(jié)合聲速、聲幅變化進(jìn)行分析判斷。

當(dāng)檢測(cè)樁材料拌和均勻，形成的樁身完整，樁體沒有缺陷，則所測(cè)得波速應(yīng)較為均勻，波幅無(wú)明顯差異，波形正常，異常處將出現(xiàn)波速大于平均值的現(xiàn)象。當(dāng)樁身由于材料拌和不均勻、孔底浮渣嚴(yán)重或者出現(xiàn)裂縫、孔洞、蜂窩等明顯缺陷，則波速、波幅將小于臨界值，PSD值將變大或發(fā)生突變，波形產(chǎn)生畸變。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

擬建場(chǎng)地土層情況自上而下為雜填土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、淤泥含砂、中細(xì)砂、礫砂、卵石、殘積砂質(zhì)粘性土和不同風(fēng)化程度的花崗巖。擬建建筑包括地上兩層地下一層，采用直徑1000mm沖孔灌注樁，樁數(shù)共計(jì)127根。本次檢測(cè)選取總樁數(shù)10%，即13根樁進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)時(shí)，將接收與發(fā)射換能器分別置于2個(gè)超聲波檢測(cè)管中，以同一高度等距離同步移動(dòng)，測(cè)點(diǎn)間距為100mm，自檢測(cè)管底至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高逐點(diǎn)進(jìn)行對(duì)測(cè)，發(fā)現(xiàn)可疑部位再進(jìn)行復(fù)測(cè)或加密檢測(cè)，以確定缺陷的位置和范圍。選取其中兩根樁的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，聲測(cè)管在檢測(cè)樁體中的分布如圖2所示。

圖2 聲測(cè)管分布圖

3.2 實(shí)測(cè)曲線分析

選取一根樁體進(jìn)行實(shí)測(cè)曲線分析，編號(hào)為1號(hào)樁，該樁樁長(zhǎng)52m，其所測(cè)得聲學(xué)參數(shù)曲線及波形圖如圖3～圖4所示(選取2號(hào)聲測(cè)管進(jìn)行分析)。

圖3 1號(hào)樁聲學(xué)參數(shù)曲線圖

圖4 1號(hào)樁波形圖

由圖3分析可知，在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，聲速較為穩(wěn)定，最大值4.667km/s，最小值4.003km/s，平均值為4.437km/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.069。波幅標(biāo)準(zhǔn)差0.986。根據(jù)PSD曲線，該樁PSD曲線無(wú)較大突變，波形變化均勻，綜合可以得出該位置樁體完整性較好，材質(zhì)均勻，樁體性質(zhì)好。

圖5 2號(hào)樁聲學(xué)參數(shù)曲線圖

圖6 2號(hào)樁波形圖

同理分析圖5中2號(hào)樁2號(hào)聲測(cè)管所測(cè)聲學(xué)參數(shù)曲線和圖6波形圖可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)樁樁長(zhǎng)27.0m，2號(hào)聲測(cè)管測(cè)得4.5m深度范圍內(nèi)，局部聲速低于臨界值，聲幅明顯低于臨界值83.160，PSD曲線發(fā)生連續(xù)突變，對(duì)應(yīng)深度范圍內(nèi)的波形出現(xiàn)明顯畸變，波形不清無(wú)條理。根據(jù)聲學(xué)參數(shù)判據(jù)和波形圖異常可以判定該位置可能出現(xiàn)孔洞或大面積樁體缺陷。

將以上兩根檢測(cè)樁的檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表1 檢測(cè)結(jié)果匯總表

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

該工程對(duì)淺層檢測(cè)出現(xiàn)缺陷的樁體進(jìn)行開挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)2號(hào)樁在2號(hào)聲測(cè)管一側(cè)4.5m深度附近出現(xiàn)混凝土材料填充不充盈，鋼筋外露，且深度較小位置混凝土材料雜質(zhì)較多，水泥參入比不足，成樁質(zhì)量差。由此可見以上檢測(cè)分析較為合理。

圖7 實(shí)樁圖

灌注樁混凝土材料與一系列聲學(xué)參數(shù)雖有相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系，但是這種關(guān)系并非絕對(duì)，還受多種因素影響。

聲音傳播速度受灌注樁原材料的配合比、攪拌均勻程度、齡期、骨料粒徑等影響較大，因此以上皆是影響檢測(cè)結(jié)果的因素；波幅是聲音傳播能量的表現(xiàn)形式，灌注樁缺陷區(qū)對(duì)傳播能量的吸收和散射程度加大，因此缺陷區(qū)域的位置、形狀和連通性及其隨機(jī)組合情況，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大；除此之外，人為操作如測(cè)試過程中拉繩額速度、穩(wěn)定性以及儀器自身穩(wěn)定性均對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)聲波透射法檢測(cè)的聲學(xué)參數(shù)特性進(jìn)行介紹，結(jié)合實(shí)際樁基檢測(cè)，對(duì)基樁聲時(shí)-深度曲線、聲幅-深度曲線、PSD曲線、各檢測(cè)剖面實(shí)測(cè)波列圖等進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

(1)聲波透射法檢測(cè)中，樁基質(zhì)量與聲速、波幅等聲學(xué)參數(shù)變化相關(guān)，但不完全受限于聲學(xué)參數(shù)判據(jù)，聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)變化除了樁身缺陷的可能，還有可能是被檢測(cè)樁自身材料、拌和程度、齡期的不同而產(chǎn)生。

(2)聲波透射法檢測(cè)結(jié)果只能作為參考依據(jù)，具體缺陷類型應(yīng)結(jié)合實(shí)際驗(yàn)樁結(jié)果進(jìn)行綜合判定。

此次樁基檢測(cè)僅采用聲波透射法，如果能采用多種檢測(cè)方法互相檢驗(yàn)，可以獲取更高準(zhǔn)確率的檢測(cè)成效。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊國(guó)強(qiáng), 張坷強(qiáng).聲波透射法檢測(cè)樁基的影響因素[J].土木建筑學(xué)術(shù)文庫(kù), 2011, 15(1).

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[6] 孟新秋, 馬健, 劉麗.聲波透射法樁基檢測(cè)非缺陷性影響因素[J].土工基礎(chǔ), 2017(6):771-774.