聲波透射法在沖孔灌注樁質量檢測中的應用研究

高 頔，白軍營

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

近年來，隨著國內外港口碼頭工程建設的飛速發展，高樁碼頭的應用越來越普遍。沖孔灌注樁作為高樁碼頭中的一種常用樁基型式，其工程程序復雜，不確定因素頗多，施工難度大，在施工時易出現質量安全隱患。因此，能否通過完整性檢測及時發現樁身缺陷、確定缺陷位置及性質，并準確地對其質量進行評價直接關系到碼頭工程的整體安全及其使用年限。

確定沖孔灌注樁的完整性有幾種常用的測試方法。鉆芯法具有可直觀定性分析的優點，但受到鉆孔位置及數量的限制，只能反映鉆孔周邊局部范圍內的混凝土質量，且應用于超長樁和斜樁時會產生諸多困難。低應變法是當前被認為能較準確測定樁身缺陷的方法之一，但受到樁的尺寸效應、淺部盲區、多次反射疊加以及信號衰減等因素的限制，無法對樁身淺部缺陷、多個缺陷及深部或樁底缺陷進行判定[1]。而聲波透射法作為一種無損檢測方法，通過聲波在混凝土中的傳播速度、接收信號的振幅、頻率和波形特征作為基本判據，評價樁身混凝土的質量，操作簡單快捷，對缺陷的靈敏度高，定位準確，因此在灌注樁（特別是大直徑、大長度灌注樁）的完整性檢測中具有獨特的優勢[2]。

但是，由于混凝土屬于集結型的復合材料，界面構成復雜，加之地質條件以及成樁工藝復雜等情況，在實際檢測過程中聲學參數往往會出現較大波動，很容易出現異常測點。因此，如何正確采集并分析現場試驗數據、剔除非缺陷因素對結果產生的不利影響，從而正確地對缺陷性質和樁身完整性類別做出推斷和解釋，是工程檢測人員所面臨的現實挑戰之一。

1 基本原理及檢測方法

聲波透射法以固體介質中彈性波的傳播理論為基礎，屬于彈性波測試方法中的一種。它向混凝土介質發射并在一定距離上接收由其介質特性調制后的脈沖聲波。通過采集和分析聲波的聲學參數，如聲波在混凝土介質中的傳播速度、波幅、頻率、波形等，從而對混凝土構筑物的完整性做出評判。

圖1 檢測系統示意

當被用于樁的完整性測試時，具體方法如下：

1）下放待測樁鋼筋籠之前，在其內側綁扎若干根聲測管作為檢測通道（具體數量依樁徑而定），各管需對稱布置于鋼筋籠內側且相互保持平行。

2）試驗前保持管內暢通，換能器探頭可在管內自由升降，并以清水為耦合劑注滿各聲測管。

3）將聲測管按一定順序編號后以排列組合的方式兩兩一組形成檢測剖面，在測試前還需在樁頂處測得各聲測管外壁間的凈距離并記錄。

4）將超聲波發射和接收探頭分別下放至當前檢測剖面所對應的聲測管底部并通過電纜上的深度標識校核兩者的位置。從樁底開始向上同步提升探頭，在提升過程中保持兩探頭的高度差，以確保測試信號的穩定性。

5）依照一定次序，對各檢測剖面進行檢測。

6）使用專用數據處理軟件綜合分析接收信號的各種聲學參數，確定樁身混凝土的缺陷位置、缺陷性質及樁身完整性類別。

2 檢測數據分析及結果判定

2.1 聲學參數與混凝土質量的關系

當聲波在混凝土內部傳播時，若混凝土質量均勻，則接收到的聲學參數特征大致相同，如果遇到蜂窩、空洞、夾泥、離析等質量較差的部位，則會產生聲波漫射，從而導致聲波衰減、波幅減小、聲時變長（聲速降低）、波形畸變等，具體關系如表1所示。

表1 接收到的聲學參數與混凝土質量間的關系

2.2 測試誤差的消除

在聲波透射法的現場測試中，各種聲學參數的收集將受到許多非缺陷因素的影響，例如管內水渾濁、聲測管變形、探頭與管壁碰撞、聲測管接管、混凝土齡期等[3]。

1）受施工活動影響，聲測管內有時會混入雜質導致管內水變渾濁，這會明顯增大聲波衰減并延長傳播時間，嚴重時甚至完全遮掩信號，從而影響樁身質量的判斷。此外，當渾濁的水沉淀后會導致換能器探頭無法到達管底。因此，在現場測試開始前應徹底沖洗聲測管并保證管內水體的清潔。

2）在工程實踐中，想要保證聲測管之間絕對平行是很困難的，如果聲測管的焊接、綁扎不牢固很容易發生傾斜、彎曲、翹曲。這將導致同一檢測剖面中各測點間的測距差異很大，致使某些測點的測量聲速顯著偏離實際值。但由于聲測管變形對聲速-深度曲線形態產生的影響是漸變的（或分段漸變），且影響范圍較大，因此，可以按曲線的大體趨勢將其劃分為若干段并進行分段擬合，并且在合并后得到一條與實測曲線總體趨勢基本吻合的曲線方程。然后，基于樁頂管口間混凝土的實測聲速值，修正其他測點處的聲速值，從而得到測距修正后的聲速-深度曲線。

3）超聲波探頭在提升過程中，換能器與聲測管管壁間會不時發生碰撞，影響聲波穩定，特別是在斜樁檢測中，由于聲測管沿鋼筋籠傾斜放置，其內部碰撞發生的幾率會更高，具體體現為檢測得到的聲速-深度曲線中會出現眾多的聲速異常點。同樁身缺陷信號一樣，碰撞產生的異常信號對聲速-深度曲線形態的影響也是突變的。但碰撞信號的首波起跳點通常會較正常信號明顯縮短，而后部信號又歸于正常，因此可以此為依據將其移除。

4）當超聲波探頭在提升過程中經過聲測管接管位置時，會產生類似缺陷信號的反應，因此為避免誤判缺陷必須在檢測開始前了解聲測管的安裝細節。

5）實際檢測結果表明，齡期很短的混凝土，其聲學參數的穩定性較差，波幅不穩定。因此，為避免誤判缺陷，工程測試應在符合齡期或強度要求的條件下進行。

2.3 樁身混凝土缺陷的綜合判定

如何準確地利用試驗過程中收集的各種聲學參數來確定混凝土缺陷的性質和樁的完整性類別是聲波透射法檢測的最終目標。聲速（或聲時）、波幅、主頻、波形等常用于判定混凝土缺陷的聲學參數各自具有優勢，也各有缺點。在工程實踐中，既不能以聲速作為判定缺陷的唯一標準，也不能將各種聲學參數等同對待。混凝土是一種由多種介質集結而成的彈塑性復合材料，聲速反映了混凝土材料的彈性性質，而波幅則與混凝土的彈塑性相關[4]。因此，對樁身混凝土質量的評判應采用以聲速、波幅為主其他聲學參數為輔的綜合判定方法。

所謂綜合判定方法不止局限于后期的檢測數據分析，而是貫徹于檢測過程的始終，因為現場檢測過程本身也包含了綜合分析的內容（如2.2節中提到的管內渾濁水的影響以及聲測管接管位置的判斷）。而在排除了現場檢測因素及非缺陷因素的干擾后，即可通過聲速、波幅等參量確定樁身缺陷的部位，推斷缺陷類別。表2中列舉的是一些樁身混凝土的常見缺陷及其與聲學參數之間的關系。

但是，通過比較聲速和波幅的相對變化來確定缺陷的方法屬于相對比較測量法，因而缺陷的解釋并不唯一。為了更準確地推斷和解釋缺陷的性質并確定樁的完整性類別，還必須要以工程場地內的勘察報告、灌注樁施工過程中的各項技術資料以及施工記錄為佐證。例如：通過了解灌注樁的成孔方式、樁周地層巖性、終孔后至澆筑前的時長等資料可推斷缺陷是否可能為樁身夾泥；通過了解地下水文條件、地下水水位、混凝土的澆灌方式及澆灌記錄可推斷缺陷是否可能為離析；通過了解樁身澆灌過程中是否發生過異常中斷，可考慮缺陷是否可能是二次澆注面或斷樁等。

總之，了解檢測樁的施工工藝、施工過程并結合聲波透射法的檢測結果進行綜合分析后，才能推定出缺陷的性質。

表2 樁身混凝土的常見缺陷及其與聲學參數之間的關系

3 工程實例分析

深圳某集裝箱碼頭為高樁梁板式結構，基樁樁型采用沖孔灌注樁，依據設計要求對該碼頭全部基樁采用聲波透射法進行檢測。檢測儀器采用美國PDI公司生產的超聲波跨孔檢測儀（CHA），該儀器具備信號連續采集功能，可得到完整的樁身掃描圖。如圖2所示，各受檢樁內均通長布置了4根鋼制聲測管作為檢測通道，各管平均分布且相互平行的固定于鋼筋籠內側，試驗開始前在管內注滿清水作為耦合劑。現場測試使用平測法，兩兩聲測管一組，將發射與接收探頭分別下降至兩管底部，從樁底開始同步提升并連續采集波形信號，在檢測過程中需經常校核并調整兩探頭所處的高度[5]。

圖2 受檢樁聲測管布置示意

其中碼頭5#泊位J結構段56號樁，樁型為水下沖孔灌注樁，樁長37.81 m，樁身直徑Φ1 100 mm，混凝土標號C40。從現場各剖面的檢測結果來看，該樁在距離樁頂36 m附近位置全斷面存在聲測異常區，此位置各項聲測參數指標均出現明顯異常，聲速、波幅降低，且波幅下降幅度更大?？紤]到缺陷所處位置的聲學參數特征并結合施工單位提供的地質資料、成孔記錄、澆筑記錄及其他相關施工資料，初步判斷該樁缺陷類型為樁身夾泥，缺陷位置位于樁截面中心略靠近聲測管A管處。

為了驗證測試結果，施工單位在樁的預估缺陷位置處鉆芯。抽芯結果表明，預估缺陷位置的確發現了樁身存在夾泥現象（圖 3），聲波透射法得出的結論準確。經過與施工及建設單位多次商討研究后決定對樁身缺陷位置進行高壓水旋噴切割，清渣和高壓注漿補強加固處理。注漿后又對該樁進行了二次檢測，各異常檢測指標的范圍和程度明顯減輕，復檢結果合格。

在本工程中，采用聲波透射法對沖孔灌注樁樁身進行完整性檢測，準確地發現了施工質量問題并及時采取有效措施排除了安全隱患，有效控制并保證了工程質量。

圖3 基樁J-56抽芯照片

4 結 語

聲波透射法與其他工程中常用的樁身完整性測試方法相比，具有以下優勢：

1）檢測細致，結果準確可靠；

2）對缺陷靈敏度高且定位準確；

3）可用于定量分析缺陷程度；

4）不受樁身長度和樁徑大小的限制且可用于判定樁長；

5）亦可應用于斜樁的檢測；

6）在聲測管可布置達到的范圍內不存在檢測盲區；

7）無需樁頂在地面以上也可檢測，便于施工；

8）可估算混凝土的強度。正因如此，雖然該方法需要在樁身混凝土澆筑之前預先埋設聲測管且成本較高，但仍在工程基樁的檢測中得到了廣泛的應用。

本文結合工程實踐，采用以聲速、波幅判據為主其他判據為輔的綜合判定方法評判基樁質量，對有缺陷基樁的判定和補救做出了積極的貢獻，有效控制了工程質量，同時通過及時準確的結果反饋，為工程施工方法的調整和優化提供了參考，也為同類型工程提供了有益的借鑒。