聲波透射法基樁檢測中管斜修正方法研究應用

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0 前言

樁基礎憑借承載能力高、抗震性能好等優越性越來越廣泛地應用到工程建設中，成為工程建設中重要的基礎形式之一。樁基礎在施工過程中受多種因素的影響，施工質量控制難度大。樁基礎是一種隱蔽工程，深度上一般有數米至數十米，超長樁更是上百米，往往樁身大部分分布在地面及地下水位以下，施工時許多工序在水面或泥漿面以下完成，不具備肉眼可視、人工近距離操作的條件，且施工工序繁多，質量控制關鍵點多，極易產生多種樁身缺陷，比如樁身斷裂、夾層、縮頸、擴頸、混凝土離析、混凝土不密實、樁底沉渣等，因此，基樁的質量檢測十分重要。

聲波透射法是目前基樁完整性檢測中使用最廣泛的方法之一，具有操作簡便、適用范圍廣、數據處理方便簡捷、檢測結果準確可靠的優點，但在實際應用過程中存在多種影響因素。本文就管斜影響因素及修正方法進行探究。

1 管斜修正方法研究及應用

1.1 聲測管的布設及影響因素

聲波透射法的主要原理是機械波在混凝土介質中傳播經各種聲學界面時發生反射、折射、繞射等現象，機械波的能量衰減，衰減的多少則與樁身混凝土的質量相關。

利用聲波透射法檢測樁身完整性時，需提前在樁身混凝土中埋設聲測管作為聲波換能器進入樁身內部的通道，發射、接受換能器分別置于樁身內相互平行聲測管的同一高度，由檢波器獲得經混凝土傳播后的聲波信號可分析樁身的質量好壞，聲測管的分布直接影響聲波信號所攜帶的聲學參數，進而影響檢測結果的準確度。

《公路工程基樁動測技術規程》要求聲測管宜采用金屬管，聲測管應牢固焊接或綁扎在鋼筋籠的內側，且互相平行、定位準確，并埋設至樁底，管口宜高出樁頂面300mm以上[1]。

在樁基礎施工過程中，聲測管的布設受到多種因素的影響，很難保證聲測管豎向平行布設，主要有聲測管自身剛度不足，混凝土灌注過程中承受壓力太大時發生彈性變形，接頭處理不當導致相鄰兩段聲測管不能順直連接，鋼筋籠分段吊裝施工時聲測管伴隨鋼筋籠發生形變，聲測管沒有綁扎固定而脫離鋼筋籠縱向主筋發生形變等多種原因，這些原因大多在工程實踐中難以避免。

1.2 管斜的影響

在灌注樁的聲波檢測中，聲測管管斜對基樁檢測數據的影響主要體現在聲速實測值上。在任意測點i的聲速實測值vTi是由該測點發射和接受換能器之間的距離li和聲波在發射接收換能器之間的傳播時間ti計算確定，即：

在實際檢測中，并不能實際測量獲取，只能測量樁頂處兩聲測管外壁間的距離l0，并用來計算i測點的聲速，表示為vi，即：

因此vi和vn之間存在如下關系：

當同一檢測剖面的兩聲測管定位準確且保持平行時，即任意測點的聲測管外壁間間距相同,則有vi=vTi。

在實際工程施工過程中，聲測管發生管斜所影響的同一檢測剖面內各測點的測距在不同高度并不等于樁頂量測的管距，即vi≠vTi，計算獲得i測點的聲速并不代表i測點的實際聲速。

聲速是分析樁身質量的一個重要參數，在《公路工程基樁動測技術規程》中對聲速的分析判斷基于概率法，剖面聲速異常判斷概率統計時采用“單邊剔除法”，通過混凝土聲速的低限值和混凝土試件的聲速平均值對概率法判據值作合理限定，以得到該剖面的聲速異常判斷值，沒有缺陷的樁身混凝土聲速檢測值經統計符合正態分布，而有缺陷部分的樁身混凝土聲速檢測值會低于甚至嚴重低于聲速平均值，導致統計聲速檢測值不符合正態分布。規范明確要求必須采用正常混凝土的聲速平均值及標準差來計算臨界值，需要對聲速檢測值中的異常小值進行剔除，否則將影響聲速平均值的計算，具體表現為異常小值越多，聲速平均值越小，聲速臨界值也越小，容易造成漏判。在聲測管管斜時，基于此方法計算所得的臨界值將發生一定偏離，影響基樁完整性檢測結果分析。

1.3 管斜修正原理

在樁身不同位置聲測管管斜對曲線v（z）的影響和樁身混凝土質量造成vTi波動對曲線v（z）的影響是有差別的。

用與深度z相關的函數表示樁身混凝土實測聲速、計算聲速及兩聲測管外壁之間間距的關系：

當聲測管傾斜時，由于自身存在一定剛度，不會發生大角度彎曲變形，深度上相鄰兩測點聲測管外壁之間間距變化不會很大，表現在v（z）曲線上是一個緩變的光滑曲線，即是可導函數，并且這種影響在一定深度范圍內表現為同一趨勢，即波速連續增大或連續減小；當樁身混凝土存在明顯缺陷時，缺陷邊緣處不存在，v（z）曲線會發生突變和明顯偏離平均波速的變化趨勢，且對應的波幅會明顯降低，由此區分是聲測管彎曲還是樁身混凝土缺陷。

圖1 斜管修正原理示意圖

1.4 管斜修正方法

1）在v（z）曲線上，曲線平直且聲速在平均值上下波動的部分為聲測管沒有傾斜部分，不用修正，選取v（z）發生明顯彎曲傾斜的部分，并以轉折點為分界點將曲線分為若干段。

2）對每段v（z）曲線，求一擬合曲線f（z）與實測v（z）曲線的變化趨勢和形態基本吻合，使得:

則深度Z測點處聲測管間距可修正為:

經測距修正后的各測點聲速可表示為:

3）繪制經過管斜修正后的v'（z）曲線，需要注意的是在求最佳擬合曲線時對明顯偏離v（z）曲線的測點應進行剔除。

1.5 管斜v修正應用實例

某橋梁工程采用鉆孔灌注樁，樁長12.0m，樁徑1800mm,混凝土設計強度等級C30，預埋4 根聲測管，其中1-4剖面在樁頂量測的聲測管距為1050mm，實測聲速-深度曲線如圖2（a）所示，從曲線可見，曲線以6.0m處為轉折點向右傾斜，即波速呈逐漸增大趨勢，樁頂測點聲速4.375km/s，樁底測點聲速6.140km/s，嚴重偏離C30混凝土的正常波速取值，因此須對該剖面進行管斜修正，否則聲速平均值、臨界值指標對判斷樁身完整性將失去實際意義。

根據上述方法，選取擬合直線方程f（z）對深度6.0m以下聲速進行管斜修正:

6.0m以下測點修正后聲測管距及聲速重新計算:

修正后的聲速-深度曲線如圖2（b）所示。

由管斜修正前后聲速-深度曲線及表1管斜修正前后聲速對比可知，管斜修正前，聲速在不同深度段發生較大程度變化，且9.6～10.0m范圍測點波速相對偏低但仍大于臨界值，波幅明顯下降，這是由于聲測管傾斜造成的聲參量偏離真實值的影響。經管斜修正后，樁底測點聲速為4.412km/s，回歸C30混凝土聲速正常取值范圍，9.6～10.0m范圍內測點聲速低于臨界值，結合該范圍測點波幅明顯降低可確定該處存在樁身缺陷。

表1 修正前后聲速對比

由此可見，如不對聲測管傾斜仔細甄別并進行合理修正，可能對樁身完整性缺陷造成漏判。

圖2 管斜修正實例

2 結語

基樁檢測受檢測儀器設備性能、現場試驗條件和人員檢測水平等多方面的影響[2]，聲波透射法具有其獨特的優勢，但也具有一定的局限性，聲測管管斜不平行在基樁施工中難以避免。本文針對這一問題進行了探究并提出了修正方法，并將此方法應用在工程樁實際檢測中，對修正前后的波速實測值、臨界值等進行比對分析可知，修正公式和修正方法可以有效消除管斜對檢測數據的影響，為樁基完整性檢測工作提供幫助，避免誤判和漏判。