溫差對樁基檢測結果產生的影響分析

方新雷，鄭 光，宋廣峰

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

超聲波在應用于灌注樁的完整性檢測時受諸多因素的影響，如溫度、氣壓、測管的大小、測管形狀以及測試時測管中注入的液體類型等等。這些因素影響檢測人員對檢測結果的準確判斷。在諸多因素中，溫度的影響非常普遍，因為所檢測的樁基一般設計樁長都有幾十米甚至上百米，樁底部處于地下幾十米處，而在地下30m左右的地層處就是地下溫度的恒溫層，即溫度常年不變，接近當地的年平均溫度。30m以下的溫度呈現梯度上升［1］。樁頂處于地面，其溫度隨著當地的氣候溫度發生季節性的變化，低溫可到－10℃以下，高溫可到40℃以上，在應用超聲波進行樁基的完整性檢測時，樁的底部和頂部存在著巨大的溫差，而正是這一巨大的溫差影響了檢測結果的準確性。本文以武漢天河機場高速路第二通道工程為背景，將所測得的數據進行溫度修正后再與原始測得的數據進行對比分析。

1 溫度對超聲波在混凝土中轉播的速度的影響

1.1 混凝土的物理力學性質

混凝土的物理力學性質與其內部結構特性與外部環境條件等多種因素有關，聲波傳播特性反映了混凝土的應力應變關系［2］，根據彈塑性介質中波動理論，聲波在混凝土介質中傳播波速

式中:E為介質的動態彈性模量，ρ為密度，σ為泊松比。不同溫度下，材料中的彈性模量E發生變化，一般來說，彈性模量隨著溫度的升高而減少。隨著溫度的升高，一般固體介質中超聲波的傳播速度降低。

1.2 實驗測定超聲波在混凝土中傳播速度與溫度的關系

實驗前準備好C30混凝土試塊若干組，在標準條件下養護28d。在試塊上裝上超聲波發射與接收的探頭，將其放在可調節溫度的恒溫箱中，探頭與外部示波器相連。溫度從－20℃上升到120℃，溫度每提升10℃采集一次信號，根據采集到的時差信號數據計算出超聲波在不同溫度下的傳播速度［3］，繪制出溫度－超聲波波速的實驗曲線（圖1）。

圖1 溫度－聲速的實驗曲線

式中:v為波速，t為溫度。為了使式（1）更具一般性，可將其表達為

式中:v0為初始速度（與混凝土齡期、水灰比、標號、以及品種等有關）。

2 地上地下溫差的修正

由于樁頂一般處于地面或者處于地面以下1～2m處，故樁頂的溫度近似為地面的溫度t表，而30 m左右的恒溫層溫度近似等于當地的年平均溫度t恒。從地表到地下30m處的恒溫層溫度呈現線性變化；深度和溫度的關系近似如

式中:t恒為30m處的恒溫層溫度，t表為地表的實時溫度，h為對應深度。

在恒溫層以下，地下溫度隨深度增加而升高，其升高的速度常用地溫梯度來表示。大約埋深每增加33m，地下溫度升高1℃。故深度和溫度的關系近似如

式中:t恒為30m處的恒溫層溫度，現在不妨將沿樁身方向所測得的波速修正到恒溫層處（也即t恒時候）的波速，修正以后，整根樁測得的波速就是處于同一溫度時的波速，這樣更加具有可比性和可判斷性。地面至30m恒溫層深度的修正速度可表示如

將式（2）代入式（4）中可得

30m恒溫層以下深度的修正速度可表示如

通常雨水箱涵安裝墻模板的工作需要在符合標準的混凝土強度和完成的底板混凝土澆筑條件下進行：①在模板上將適量脫模劑涂刷其上，校正檢驗底板側模使其與標準符合后作為定位模板，這樣可以保證安裝墻模板的順利進行；②安裝頂模板過程中，需要將混合木條、模板及鋼支撐相互結合，單獨用木支撐的方式不可取。接下來使用鋼支撐立桿，為了使支撐更加穩固施工人員連接好鋼管并在安裝頂模板后何時檢查安裝過程，確保安裝質量并為接下來的工序開展打下基礎。

將式（3）代入式（5）中可得

式中:v測為實測聲速，v修1和v修2修正為同一溫度t恒后的速度。

3 工程實例分析

下面以武漢天河機場快速路第二通道—南引橋工程中的第NYQ4-2號灌注樁的檢測為實例，進行數據修正前后對比。武漢市地處華中地區，夏季炎熱，冬季寒冷。在夏季高溫時，室外溫度可達40℃甚至以上，冬季低溫時室外溫度低至－5℃，而年平均溫度為17℃，也即地下30m處的恒溫層溫度為17℃。由此可看出地面到地下30m處的溫度差非常之大。

NYQ4-2號灌注樁設計樁長65m，混凝土為C30普通硅酸鹽水泥，樁徑為1.6m的摩擦樁。施工澆筑日期為2013年1月10日，檢測日期為2013年2月2日上午。其中1－2剖面的測管距離為890mm，現在對其1－2剖面所測得的數據進行分析，繪制成樁深－波速離散圖（圖2）。

圖2 樁深－波速離散圖

對所測得的樁深－聲速數據用本文中的修正理論進行修正，取檢測時候的地面溫度為1℃，30m深度處恒溫層的溫度為17℃。經修正后得到數據繪制成樁深－波速離散圖（圖3）。

圖3 樁深－波速離散

由圖2和圖3可以得出，經過修正后聲速更加穩定，并且數據的波動較小，由此可見修正后的數據更加具有可比性，有效地提高了樁身的完整性判斷的準確性。

通過以上分析可知:以第NYQ4-2號樁的檢測為例，取地下30m處恒溫層的溫度為17℃，地表最高溫度取40℃，最低溫度取－3℃，30m下按溫度梯度每30m溫度升高1℃計算，修正前的檢測波速取4 400km/s。

說明在30m以下的溫度變化并不是很明顯，由于溫度影響平均每30m產生的絕對誤差

相對誤差在地面至地下30m處的溫度變化隨著季節的變化非常之大。在地面至地下30m處由于溫度影響產生的絕對誤差

相對誤差

經過修正后一根60m的灌注樁可以累計消除因溫度而產生的誤差達到0.37%，可提高檢測人員對灌注樁完整性判斷的準確性，對照其他用超聲檢測樁身完整性的實例，有相近的效果。

4 結論

通過實例分析可以得出以下結論:

1）檢測樁基完整性時，可以采用對地上地下溫差產生的影響公式進行修正。

2）通過溫差修正，可以提高對樁檢完整性判斷，解決較大溫差對樁身完整性的不良影響。

［1］ 劉曉燕，趙 軍，石 成，等.土壤恒溫層溫度及深度研究［J］.北京:太陽能學報，2007，28（05）:494-497

［2］ 季家林，李慧劍，閆國亮.溫度對超聲波在混凝土中傳播速度的影響［J］.上海:建筑材料學報，2008，11（03）:349-353

［3］ 孫 鐘，李全育，刁海波，邢樹宏，楊雙羊.溫度對超聲波檢測缺陷定位定量的影響［J］.上海:無損檢測，2011，33（04）:26-32

［4］ JTG-TF81-01-2004，公路工程基樁動測技術規程［S］.北京:浙江省交通廳工程質量監督站.