聲波透射法在蒙華鐵路基樁檢測中的應用分析

張 娜 胡朝彬 李廣元 高承成 齊旭鋒

(1.天津華勘基礎工程檢測有限公司，天津 300170； 2.天津華北地質勘查局，天津 300170)

0 引言

橋梁在鐵路建設中廣泛使用，而橋梁基礎大都采用鉆孔灌注樁。在已經開通運營的京滬鐵路、津保鐵路中，鉆孔灌注樁所占的比重達到80%以上。樁基作為橋梁下部結構，主要為上部結構提供承載力，防止橋梁產生不均勻沉降。鐵路橋梁基礎下的鉆孔灌注樁在施工過程中清孔不干凈、孔壁坍塌、澆筑混凝土不當，都會造成樁基質量下降，從而導致承載力下降。如何對樁基完整性進行辨別，采取補救措施，保證樁基的質量，能有效的防止安全事故發生。低應變法能快速有效的對樁基完整性進行辨別，但對檢測人員經驗水平要求較高，對大長直徑的樁基無法實現檢測。聲波透射法通過在樁身埋設聲測管發射與接收超聲波進行完整性檢測，這種提前埋設聲測管的方法在大長直徑灌注樁中經常被采用。鉆芯法采用鉆機鉆取芯樣，也可以檢測樁身缺陷，但費用高，時間長，一般較少采用，經常作為聲波透射法檢測的補充檢測及驗證手段。超聲波作為機械振動波，它具有透射性、反射性以及繞射性等特點，通過超聲波的波速和波幅變化情況及超聲波信號的頻率—波幅曲線在頻域的變化特點，展開對超聲波實測信號的分析研判，對樁基施工質量的控制具有重要的指導意義。

1 超聲透射法測試原理

聲波透射法檢測需要預先將2-4聲測管固定于鋼筋籠上，在成樁過程中澆筑于樁體中。適用于樁徑大于0.6 m鉆孔灌注樁，聲波透射法檢測依據是：當儀器換能器發射一定頻率脈沖波在完整混凝土中傳播時，其內部的傳播速度、首波幅度和接收信號主頻等聲學參數，一般無明顯的差異與變化。若一旦在混凝土樁中存在缺陷，如離析、空洞、不密實以及裂縫等，將影響混凝土整體的完整性，當聲波穿過時會造成聲波在缺陷部位發生反射、折射或散射等，與完整部位相比將發生聲時的變化，同時波幅和頻率值都降低，產生波列的雜亂，波形相互疊加，發生無規律的畸變。利用上述原理，可以通過聲波在混凝土構件中傳播所得到的聲學參數測量值和相對變化量，進行綜合分析對比，判別其施工質量、樁身缺陷的程度并確定其位置。

2 現場檢測準備工作及步驟

1)確保樁頂外漏的聲測管在同一水平面上，在樁頂測量聲測管外壁之間的凈距離。保證聲測管內注滿清水。

2)將發射換能器和接收換能器分別通過導線輪置于兩根聲測管中，查看線上刻度標志，是否同設計樁長一致，發射換能器、接收換能器保持相同深度。

3)發射換能器與接收換能器同步從樁底向上提升。提升過程中，應校核換能器的深度和校正換能器的高差，并確保測試波形的穩定性，提升速度不宜大于0.5 m/s。

4)應實時顯示、記錄每條聲測線的信號時程曲線，并讀取首波聲時、幅值；當需要采用信號主頻值作為異常聲測線輔助判據時，尚應讀取信號的主頻值；保存檢測數據的同時，應保存波列圖信息。

5)同一檢測剖面的聲測線間距、聲波發射電壓和儀器設置參數應保持不變。在樁身質量可疑的聲測線附近，應采用增加聲測線或采用扇形掃測、交叉斜測、CT影像技術等方式，進行復測和加密測試，確定缺陷的位置和空間分布范圍(見圖1)。

3 工程實例及分析

1)蒙華鐵路河南段某工地橋樁的4號、5號鉆孔灌注樁(端承樁)，設計混凝土抗壓強度為C35，樁長12 m,樁徑2 000 mm，4號樁、5號樁屬于同一個承臺，樁端持力層為弱分化石英片巖大理巖。樁身預埋3根聲測管，其低應變曲線及聲波實測(聲時、波幅、PSD)曲線如圖2，圖3所示。

從圖2的聲測圖中可看出，4號樁8.5 m～12 m范圍內聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，初步判斷混凝土離析。從低應變反射波曲線看，樁為人工挖孔灌注樁，曲線受地層影響不大，且人工挖孔灌注樁在施工過程中，樁端清孔應該很干凈，而樁端持力層為弱分化石英片巖大理巖，混凝土巖性同樁端持力層差不多，樁底反射明顯，說明樁端有部分沉渣。從低應變反射波曲線初步判斷此樁亦為三類樁性狀。經過抽芯驗證結果表明：4號樁8.5 m～12 m范圍內嚴重離析。經檢查施工記錄，成孔過程沒有異常，但是在澆筑成樁過程中，由于施工人員所下導管不夠長，導管上提過程不規范，造成了下部混凝土離析。

從圖3的聲測圖中可看出，5號樁11 m～12 m范圍內聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，與4號樁情況類似初步判斷樁底附近混凝土離析，低應變反射波反應在10 m左右出現強烈的樁底反射，顯示此樁偏短。經過抽芯驗證結果表明：5號樁11 m～12 m范圍內嚴重離析，經檢查施工記錄，也是由于施工時導管不夠長且導管上提速度過快，導致混凝土離析。

從上面兩個實例分析，聲波透射法檢測到缺陷位置處的聲波波速和波幅曲線發生明顯的劇烈衰減，三類樁性狀均非常明顯。通過鉆孔抽芯驗證樁端均為松散介質，樁身聲速很低，因為是人工挖孔樁，一般不存在樁底沉渣問題，那么在樁底出現這種情況多屬混凝土離析造成。

2)蒙華鐵路河南段某工地橋樁的1號鉆孔灌注樁(摩擦樁)，設計混凝土抗壓強度為C40，樁長為30 m,樁徑為1 000 mm,樁身預埋3根聲測管，其低應變曲線及聲波實測(聲時、波幅、PSD)曲線如圖4所示。

從圖4聲測圖中可看出，1號樁3.4 m～4.4 m范圍內聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，初步判定為離析或夾泥。從低應變反射波曲線看在4.0 m左右縮徑或夾泥，初步分析此樁亦為三類樁性狀。由于缺陷不太深，經過開挖驗證，結果表明1號樁3.4 m～4.4 m范圍內嚴重夾泥。經查看施工記錄，發現混凝土灌注過程不連續，時間間隔長達4 h，導致灌注交界面處的厚重泥漿沉積，再次灌注時夾裹在其中，造成嚴重的夾泥缺陷。

3)蒙華鐵路河南段某工地的8號鉆孔灌注樁(摩擦樁)，設計混凝土抗壓強度為C40，樁長為23 m,樁徑為1 000 mm,樁身預埋3根聲測管，其低應變曲線及聲波實測(聲時、波幅、PSD)曲線如圖5所示。

從圖5聲測圖中可看出，8號樁6.1 m～7.5 m范圍內聲速和振幅明顯下降，存在嚴重缺陷，初步判定為夾雜或離析缺陷。從低應變反射波曲線看在6 m左右縮徑或夾泥，初步分析此樁亦為三類樁性狀。經過抽芯驗證結果表明：8號樁6.1 mm～7.5 mm范圍內嚴重夾砂，經查閱地勘資料，本段地層為細砂層，成樁過程有塌孔情況。

取芯驗證圖見圖6。

從上面三個驗證實例進一步分析總結，當混凝土澆筑過程中導管不足長或導管提升不當易造成樁底離析或夾泥；當混凝土澆筑過程中時間間隔過長，易造成混凝土交界面的夾泥缺陷；非人工挖孔樁類的鉆孔樁，在澆筑成樁過程中突發的塌孔易造成夾泥夾砂等缺陷。若缺陷在樁頂附近，其以上部位應進行截樁處理；若缺陷較深，缺陷處聲波的聲速和振幅均突變明顯，應對缺陷進行加固處理。

4 結語

通過應用聲波透射法技術對蒙華鐵路不同標段的基樁完整性檢測分析，該方法能準確的找出部分缺陷樁的缺陷位置，判斷缺陷的嚴重程度，結合地勘資料及施工記錄可大致判斷缺陷的類型。對發現的缺陷，通過鉆芯法或開挖法進行了驗證，證明聲波透射法準確度高、檢測結果能直觀反映樁身各個部位混凝土的均勻性。聲波透射法還具有從上而下逐點掃描整樁全斷面的優點，不易漏檢樁身缺陷。

針對基樁施工過程隱蔽性高，施工質量難以有效控制的特點，通過聲波透射法對鉆孔灌注樁質量的檢測，分析了施工過程中造成的不同樁身缺陷，及時指導了鉆孔灌注樁的施工，使其質量控制在規定范圍內，對保障鐵路橋梁的安全性與穩定性意義深遠。