聲波透射法在南水北調調壓井樁基完整性檢測中的應用

劉仰玉,魯守尊,李奎杰,趙洪利

聲波透射法在南水北調調壓井樁基完整性檢測中的應用

劉仰玉1,魯守尊1,李奎杰1,趙洪利2

1. 臨沂市恒泰安全科技有限公司, 山東 臨沂市 276000 2. 山東水利職業學院, 山東 日照 276826

調壓井樁基完整性是影響整個建筑物安全的關鍵因素，聲波透射法是一種利用超聲波對樁基完整性進行檢測的精確方法。結合保滄干渠工程實際，介紹了聲波透射法的基本原理、檢測方法和工作參數。通過選取特殊樁基波形，利用勻質性和完整性判定規則，分析了波形波速和波幅的變化規律，揭示了樁基產生缺陷的原因，評價了樁基的混凝土勻質性和類別，提出了相應的常用處理措施。檢測結果為大型建筑物的樁基完整性檢測提供了經濟有效的技術參考。

調壓井; 樁基完整性; 聲波透射法; 保滄干渠; 勻質性

調壓井是河北省南水北調配套工程中最重要的地上水工建筑物，其承臺具有結構斷面尺寸大、鋼筋密集、一次性澆筑混凝土方量大、混凝土澆筑強度高且溫度控制要求嚴格等特點，施工難度很大[1-3]。調壓井主要用于消減任丘、河間分水口流量變化引起的水擊波，同時可起到降低下游管道工作壓力、提高工程安全性的重要作用。此工程建成后不僅是一項重要的調壓工程，而且是一處美麗的人文景觀，將標志著河北省南水北調配套工程向前推進的重要一步[4-7]。因此，調壓井基礎的安全是直接影響整個調壓井安全的關鍵問題，而樁基的完整性將直接決定樁基質量，這就需要對樁基進行完整性檢測。

目前規范推薦的樁身完整性主要檢測方法包括低應變法，高應變法和聲波透射法三種[1]。三種檢測方法中，尤以聲波透射法的優點更為突出，不僅具有檢測快速、完整細致、結果準確，無需基樁露出地面就可檢測等優點，另外還不受施工場地、樁身長度與樁身直徑的限制，這些都是低應變法和高應變法無法做到的[2]。

1 聲波透射法基本原理

聲波透射法，也稱跨孔超聲法，是指在樁身混凝土內發射并接收超聲波，通過實測超聲波在混凝土介質中傳播的歷時、波幅和頻率等參數的相對變化來判定樁身完整性的一種檢測方法。具有探測距離大、完全不破壞結構物，準確性高，可定量分析出樁身缺陷的大小和確切部位等優點[8-11]。其原理為在被測樁內預埋若干根豎向相互平行的聲測管作為檢測通道，將超聲脈沖發射換能器與接收換能器置于聲測管中，管中注滿清水作為耦合劑，由儀器的發射換能器發射超聲脈沖，穿過待測的樁體混凝土，并經接收換能器被儀器所接收，判讀出超聲波穿過混凝土的聲時、接收波首波的波幅以及接收波主頻等參數[12-15]。超聲脈沖信號在混凝土的傳播過程中因發生繞射、折射、多次反射及不同的吸收衰減，使接收信號在混凝土中傳播的時間、振動幅度、波形及主頻等發生變化，這樣接收信號就攜帶了有關傳播介質(即被測樁身混凝土)的密實缺陷情況、完整程度等信息。由儀器的數據處理與判斷分析軟件對接收信號的各種聲參量進行綜合分析，即可對樁身混凝土的完整性進行評價，判斷樁基缺陷的程度并確定其位置[3]。聲波透射法根據兩個換能器的相對位置分為平測和斜測兩種。平測時，兩個換能器應始終保持相同深度；斜測時，兩個換能器應始終保持固定高差，且兩個換能器中點連線與水平夾角不應大于30°[4]，聲波透射法檢測示意圖如圖1所示。

圖 1 聲波透射法檢測示意

圖 2 樁基聲波透射法現場檢測示意

2 檢測方法與工作參數

2.1 檢測方法

當受檢樁的混凝土強度不低于設計強度的70%，且不低于15 MPa時，方可采用聲波透射法進行檢測，檢測儀器包括跨孔超聲儀和測樁換能器，檢測系統如圖2所示。

樁內預埋相互平行的聲測管，聲測管的埋設數量與受檢樁的樁徑有關，但應在滿足超聲波覆蓋范圍盡可能大的前提下，聲測管埋設數量盡量少的原則，樁徑與聲測管數量的對應關系如表1所示。

表 1 樁徑與聲測管數量的對應關系

注：①樁徑≥2500 mm時，宜增加聲測管數量；②圖中陰影部分表示聲波的覆蓋范圍。

Note: ①number of sound testing tubes increased when D≥2500 nm; ② Shadows showed the range of sound wave.

2.2 工作參數

式中：表示聲測線的聲時，表示聲測線深度。

根據以上判定方法，并綜合接收波形的畸變以及主頻漂移等多種因素，分析樁身完整性及缺陷特征。

3 工程概況

調壓井是南水北調配套工程保滄干渠工程的重要建筑物，位于主干線末端，外部回填土與上游閥井房結合，形成一條休閑廊架，景觀設計的定位為具有重要的紀念價值的“南水北調工程”水利工程管理和科普教育基地，是具有主題性、標志性和藝術性的工業遺產，調壓井樁號為82+995，圓筒型式，內徑11.0 m，為鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C45，抗滲等級為W8，抗凍等級為F100，調壓井下部壁厚1.2 m，上部壁厚1.0 m，外壁設保濕層。調壓井高程11.40 m，底板厚1.8 m，頂高程34.58 m，設計水位31.88 m。外壁設5.0×2.0 m的溢流堰。調壓井整個結構坐落于63根鋼筋混凝土灌注樁之上，灌注樁長40.0 m，直徑Φ1000 mm，樁間距3.0 m。樁基平面布置圖如圖3所示，其中1#~25#樁為調壓井主體結構灌注樁，26#~63#樁為調壓井外圍結構灌注樁。根據表1可知，直徑為1000 mm的樁，聲測管須埋設3根。因工程的重要性及施工設計要求，經各方協商確定，對調壓井樁基的完整性進行全檢。

圖3 樁基平面布置圖

4 檢測準備與結果判定

4.1 檢測準備工作

現場檢測前準備工作應符合下列規定：

①當受檢樁樁身混凝土強度達到設計強度的70%，且不低于15 MPa時，方可進行檢測。

②采用率定法確定儀器系統延遲時間。

③計算聲測管及耦合水層聲時修正值。

④在樁頂測量相應聲測管外壁間凈距離。

⑤將各聲測管內注滿清水，檢查聲測管是否暢通；換能器應能在聲測管全程范圍內正常升降。

現場的檢測采用平測法對全樁各個檢測剖面進行檢測。現場平測應符合下列規定：

①將發射與接收換能器通過深度標志分別置于兩個聲測管道中的測點處。發射與接收換能器始終保持相同深度。

②檢測過程中，應將發射與接收換能器同步升降，聲測線間距不應大于100 mm，并應及時校核換能器的深度。

③對于每條聲測線，應實時顯示和記錄接收信號的時程曲線，讀取聲時、首波幅值和信號主頻值；保存檢測數據的同時，應保存波列圖信息[4]。

4.2 結果判定

4.2.1 樁身缺陷判定分析和處理的主要聲學參數有聲速、波幅、主頻，必要時觀察和記錄波形。

波速判據和波幅判據是波形結果的主要異常判據，主頻判據、能量判據和（斜率法判據）則只能作為輔助異常判據。①當采用聲速作判定時，判據為：V≤0；②當采用波幅作判定時，判據為：A≤0。

當采用信號主頻值作為輔助異常判據時，可利用主頻—深度曲線上的主頻值明顯降低作為異常判定依據；當采用接收信號能量作為輔助異常判據時，可利用能量-深度曲線上的接收能量明顯降低作為異常判定依據；當采用（斜率法）作為輔助異常判據時，可對進行計算，當值在某深度處突變時，還宜結合波幅變化情況進行異常判定依據。

4.2.2 樁身勻質性判定按聲速離差系數x可把樁身勻質性分為A、B、C、D四級，聲速離散系數表如表2所示。

表 2 聲速離散系數表

4.2.3 樁身完整性判定樁身完整性類別應結合樁身缺陷處聲測線的聲學特征、缺陷的分布范圍，按下表所列特征由Ⅳ類向Ⅰ類依次進行綜合判定[5]，樁身完整性判定表如表3所示。

表3 樁身完整性判定表

5 樁基聲測結果分析

采用跨孔超聲儀和測樁換能器，選取12#、22#和58#樁，對樁基出現的多種缺陷進行綜合判定。

（1）12#樁聲速-深度曲線和波幅-深度曲線如圖4所示。從圖中可看出，樁頭至樁身波形良好，三個剖面曲線走向類似，波速和波幅均大于對應的臨界值，但均在距樁底約1.0 m范圍內波速和波幅劇烈下降，造成樁底波形畸變、產生該缺陷的原因在于樁底混凝土在同一深度出現不均勻厚度的沉渣，且沉渣多為松散狀，造成波速和波幅降低。樁身三個剖面中最大離差值為5.1%，根據表2可判定，滿足5%≤C<10%，混凝土勻質性等級為B級。根據表3所列特征，12#樁可判定為Ⅲ類樁。常用處理措施是對樁底進行高壓清洗，直到清水從孔口溢出，而后再進行高壓灌漿，灌漿完成7 d后，利用聲波透射法重新復測，復測結果良好。

圖 4 12#樁聲速-深度和波幅-深度曲線

圖 5 22#樁聲速-深度和波幅-深度曲線

圖 6 58#樁聲速-深度和波幅-深度曲線

（2）22#樁聲速-深度曲線和波幅-深度曲線（圖5）。從圖中可看出，樁頭至樁底波形整體良好，三個剖面的波速和波幅變化均勻，且波速和波幅均大于臨界值，三個剖面中最大離差值為4.4%，根據表2可判定，滿足C<5%，混凝土勻質性等級為A級。根據表3所列特征，22#樁可判定為Ⅰ類樁。

（3）58#樁聲速-深度曲線和波幅-深度曲線如圖6所示。從圖中可看出，樁身至樁底波形良好，AB剖面和AC剖面曲線走向類似，但均在距樁頭約8.5 m范圍內波速和波幅劇烈下降，甚至波形無法采集，而BC剖面的波速和波幅變化相對均勻，僅在距樁頭的2.6 m范圍內的波速低于臨界值，但仍有1.4 m無波形。造成樁體波形畸變、產生該缺陷的原因在于實際樁長短于設計樁長，當換能器提升至實際樁頭位置后，超聲波便失去了傳播介質——混凝土，從而導致測量系統無法采集波形。三個剖面中最大離差值為2.7%，根據表2可判定，滿足C<5%，樁身混凝土勻質性等級為A級。根據表3所列特征，58#樁可判定為Ⅳ類樁。常用處理措施有接樁、鉆孔補強或擴大承臺（梁）等。

通過選取典型樁基波形圖，結合表2和表3判定方法，對調壓井的全部樁基完整性進行了綜合判定，經統計，樁基檢測結果表如表4所示。

Tabel 4 The determined result of detected pile

表 4 樁基檢測結果判定表

6 結 論

調壓井作為河北省南水北調配套工程中最重要的地上水工建筑物，其樁基的質量決定著整個建筑物的安全，聲波透射法憑借其精確性和有效性等特點在樁基完整性檢測中得到了廣泛應用，并對成樁工藝和施工質量作出了綜合判定。

（1）對于樁底缺陷，聲波透射法主要反映出的波形特征是樁底位置的各點波速和波幅劇烈下降，造成該缺陷的主要原因多為樁底沉渣，常用處理措施為高壓灌漿。

（2）對于無缺陷的Ⅰ類樁，聲波透射法主要反映的波形特征是從樁頭至樁底的各點波速和波幅均大于對應的臨界值。

（3）對于樁頭缺陷，聲波透射法主要反映出的波形特征是樁頭位置或部分樁身的各點波速和波幅劇烈下降，甚至無法采集波形圖，造成該缺陷的主要原因多為實際樁長短于設計樁長，常用處理措施有接樁、鉆孔補強或擴大承臺等。

[1] 黃柳云,杜靜,王家全,等.巖溶地區缺陷樁檢測及處理措施[J].施工技術,2013,42(7):19-23

[2] 湯杰,吳國興,胡聯浩,等.聲波透射法在基樁完整性檢測中的應用范例[J].廣東建材,2010(8):146-148

[3] 鄭明燕,孫洋波.聲波透射法在灌注基樁完整性檢測中的應用研究[J].鐵道建筑,2010(10):137-139

[4] 中華人民共和國信房和城鄉建設部.JGJ106-2014建設基樁檢測技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2014

[5] 楊永亮.超聲波透射法在樁基完整性檢測中的應用[D].武漢:武漢理工大學,2012

[6] 劉德貴,姚勇,王寧.超聲波透視法在樁基檢測中的應用[J].路基工程,2009(2):159-161

[7] 楊嘉明,閆占豹,王春陽,等.超聲波透射法在樁基檢測中的應用[J].東北水利水電,2018,36(3):50-52

[8] 吳柏水.超聲波透射法在樁基檢測中的應用[J].建筑工程技術與設計,2016(21):1253

[9] 張煒熠,高志民,王繁興.超聲波透射法在樁基完整性檢測中的應用研究[J].山西建筑,2017,43(27):59-60

[10] 李榮峰.淺析超聲波透射法在橋梁樁基檢測中的應用[J].建筑工程技術與設計,2014(29):475-475

[11] 劉進朝.混凝土在路橋樁基施工中的作用及應用技術分析[J].建筑技術開發,2017,44(15):123-124

[12] 盛曉州.聲波透射法在樁基質量檢測中的應用[J].建筑技術開發,2018,45(24):71-72

[13] 萬銳笙.淺談聲波透射法在樁基檢測中的應用[J].房地產導刊,2015(13):468

[14] 許曉妮,賀體麗.樁基聲波透射法檢測信號處理探析[J].建材與裝飾,2016(14):198-199

[15] 余強.超聲波透射法在基樁完整性檢測中的應用[J].建材發展導向(上),2016(9):279-280

Application of Sound Wave Transmission in Pile Integrity of South-to-North Water Diversion Project

LIU Yang-yu1, LU Shou-zun1, LI Kui-jie1, ZHAO Hong-li2

1.276000,2.276826,

The pile integrity of surge tank is the key factor to influence the safety of buildings，sound wave transmission is an accurate method to detect the pile integrity by using ultrasonic. Base on the practical engineering of Bao Cang Canal，The basic principle、test and operating parameters of sound wave transmission are introduced. By choosing special pile wave form and using the decision rule of the uniformity and the integrity，the causes of pile defects are revealed，the pile of concrete homogeneity and categories are evaluated，the corresponding treatment measures are put forward. These results provide economic and effective technical references to pile integrity for the large building.

Surge tank; sound wave transmission; pile integrity; Bao Cang Canal; homogeneity

TV52

A

1000-2324(2019)04-0661-05

2018-03-15

2018-05-23

劉仰玉(1962-),男,大學本科,高工,研究方向:水工結構. E-mail:laohu001007@qq.com