超聲波透射法檢測樁基完整性常見缺陷對應聲參量特性分析

沈璐璐

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

樁基礎是建（構）筑物建設中常用的基礎形式及加固辦法，既往有資料統計，國內年均用樁量超出300萬根，混凝土灌注樁是常用的樁基礎形式，尤其是大直徑樁基基本應用的是混凝土灌注樁。樁基施工質量直接關系著整個建筑的安全性，也和人們的生命安危密切相關。樁基屬于隱蔽工程的范疇，現場施工工序復雜，環境條件較差，容易出現斷裂、空洞及混凝土強度降低等問題[1]。應科學分析樁基質量缺陷位置，應用超聲波技術輔助檢測樁身完整性，總結相應的聲參量特性。

1 超聲波透射法檢測缺陷原理

當下，超聲波透射法是公認的檢測混凝土灌注樁樁身缺陷、測評其完整性的有效手段之一，當超聲波在混凝土內傳播后，其將會帶著和混凝土材質、內部結構及組成相關的信息，精準測量出超聲波經過混凝土傳播以后各項聲學參數的量值及變化情況，據此便能判斷出混凝土自身的性質、內部構造特征及成分構成等。

當混凝土沒有缺陷時，它是一個連續體，超聲波在其內正常傳播。但若混凝土有空洞、蜂窩區等缺陷時，那么混凝土的連續性隨之中斷，缺陷區和混凝土之間形成界面，超聲波在該界面上的傳播情況出現一定改變，比如反射、散射以及繞射等[2]。

2 檢測技術

2.1 檢測前期的準備工作

指派專人現場調查，被檢工程的實際情況具體是采集樁基地質資料、設計圖紙與施工記錄、監理日志等，全面了解施工工藝的應用及現場施工中突發的異常狀況等，認真填寫委托單據及元素記錄表，明確要求樁基設計齡期應符合擬用檢測法對混凝土強度提出的要求，通常在14d 以上或樁身強度抵達設計70%。正式檢測之前要準確測出聲測管與耦合水層聲時修正值與檢測系統的延時[3]。

2.2 采集現場數據

2.2.1 大部分情況下，利用平測法檢測樁基缺陷。若現場通過檢測發現存在可疑缺陷區時，則要改用斜測、扇測或加密法進行檢測。

2.2.2 提升操作時要勻速用力牽動，嚴禁速度過快。

2.2.3 檢測同一根樁基礎時，發射、接收換能器要以等同標高同步升降，并且要維持發射電壓等儀器參數恒定不變。

2.2.4 檢測現場保留好數據后，可以查看剛剛測得的數據，若探查到該數據內存在較明顯的信號異常情況，則可以把探頭重新放回到管底，維持不同探頭管口深度的統一性，二次提升測試[4]。

2.2.5 于樁身質量可以的測點周邊，應用增加測點布置密度的方法，或用斜測、扇形掃測等進行復測，進而使樁身質量缺陷定位更加精準。

2.3 完整（基本完整）樁基檢測

針對樁身混凝土結構完整（基本完整）的樁基，不同被檢剖面超聲波接收信號并不會形成顯著差異，波幅響度較高，波形基本位置良好，各項聲學參數均在正常區間內變動，且其頻譜特性呈現出相對穩定性特征。

某電廠改線工程采用了鉆孔灌注樁作為樁基礎，樁身混凝土設計強度C25，直徑1500～2300mm，孔深12～20m，各樁均埋設了3 根聲測管。其中D3 號樁全長16m，樁徑2100mm，該樁基整體分析及測評如下。

2.3.1 該樁基三個測向聲速、波幅-深度曲線上被測點測得數值之間的離散度不大，可以應用概率法算出聲速及波幅臨界值，統計發現計算出以上兩項指標對應值后均沒有形成異常點。

2.3.2 三個不同測向的PSD-深度曲線走勢均較平穩，各個測點PSD 值都處于正常改變范疇，據此判定該樁基沒有質量缺陷。

2.3.3 實測波形首波走向陡峭，后續波形成了較大的波幅，波形包絡線類似于半圓形，波形沒有形成較明顯的畸變[5]。

2.3.4 實測后認定整個波形頻譜特性較好，頻譜主頻峰值突出，這也預示著樁身混凝土均勻度較好。

整體分析以上超聲圖像特征，可以判定被檢樁基是完整樁。

3 常見樁基缺陷的檢測案例

3.1 嚴重分層離析

某省級公路，K24+850 中橋4-4 樁，樁徑1.2m，樁長18.Om，C25 混凝土澆筑。I、II、III 剖面臨界值VO分別是4.059km/s、3.987km/s、3.986km/s，AO 對應值分別是102.21dB、104.21dB、107.59dB，該樁基以上三個剖面聲參量多段形成嚴重異常。-5m 之上缺陷位置混凝土聲速2.19～2.75km/s，III 剖面波幅參數最低值是77dB，和臨界值相比最低值低出約30dB。開挖-5m 以上的部分，發現-3～-4m 區段混凝土嚴重離析、分層(夾砂)、局部區段混凝土呈現出明顯的松散狀[6]。

3.2 樁底沉渣

某公路K116+1001 號大橋，2～3 樁，樁徑、樁長對應值分別是1.6m、24m，混凝土等級C25。I、II、III 剖面臨界值VO 分別 為4.136km / s、4.036km / s、3.885km/s，AO 對應值分別是111.99dB、114.49dB、113.04dB。在-23.1～-24.1m 范圍中以上三個剖面聲參量均嚴重異常，III 剖面聲速、波幅最低值分別是1.82km/s、83.52dB，和臨界值相比最低值低出30dB左右。經現場鉆芯檢測驗證后，認定以上區段混凝土存在者沉渣缺陷問題。

3.3 夾泥

某個公路，K113+753 中橋，0-11 樁，樁徑、樁長分別是12m、15m,C25 混凝土施工。I、II 剖面臨界值VO分別是4.205km/s、4.120km/s，AO 對應值分別是11.26dB、104.89dB。-2～-3m 范圍中部分聲參量嚴重異常，聲速、波幅參數低值分別是2.82km/s、74.91dB，現場開挖檢測驗證后，可以判斷出該區段混凝土存在著夾泥缺陷[7]。

3.4 夾砂

某工程選擇沖孔灌注樁作為樁基礎，樁身混凝土設計強度等級C25,設計直徑1600～2300mm，孔深范圍20～30m，各個樁體均埋設了3 根聲測管。其中L7號樁全長達到26m，樁徑2100mm，圖1是部分測向實測曲線，做出如下分析及評價內容。

3.4.1 0.5～1.m 內A-B 測向聲速正常，波幅較小，25～26m 范圍中聲速、波幅都呈現出偏小的特點；B-C 測向于25～26m 中沒有形成較大波幅，聲速未見顯著改變；A-C 測向于0.5～1m 與25～26m 范疇中聲速及波幅都較小。

3.4.2 三個測向的實測聲速值3.9～3.96km/s，處于混凝土聲速的正常區間內，但于8.5～9.5m 區間聲速值顯著降低。

3.4.3 三個測向的PSD-深度曲線于8.5～9.5m區間中都有肉眼可見突變，A-B、A-C 測向PSD 值分別在25.5m、25m 處形成突變點，結合工程設計數據可以判斷該樁于8.5～9.5m 范疇中可能存在較大范圍的夾泥，A-B、A-C 測向分別在0.5～1m、25～26m 范疇中可能存在著低強區。

3.4.4 分析各測向的正常與異常測點的波形以及頻譜，發現各測向異常點位置波形首波幅值都顯著低于正常測點位置的幅值，但后期依然存在者一些幅度，波形和喇叭形較為相似；各測向異常點位置頻譜的主頻呈現出顯著的多峰表象，并且異常測點的主頻幅值顯著低于正常測點的幅值，提示異常測點位置樁身混凝土內部可能存在這部分其他軟弱介質。

后期經現場鉆孔取芯檢測實驗證實，該樁基在8.5～9.5m 范疇中混凝土呈松散態，大概有90cm 范疇不能順利獲得芯樣，部署于A-B 與A-C 測向的取芯孔在0.5～1m 區間內獲得的芯樣自身存在者大小不等的氣孔，25～26m 范圍中所得芯樣夾雜著少許泥砂，整個芯樣的強度偏低。

4 結論

基于樁基工程缺陷檢測實例，可以發現樁基混凝土常見的質量缺陷相應的超聲波聲參量具備一定特性：

一是沉渣：灌注樁樁底是這種質量問題的高發部位，沉渣屬于一種松散介質，會使聲波傳播過程中出現明顯衰減，聲速及波幅顯著下降是聲參量的主要表現；

二是夾砂：混凝土澆筑導管提升操作不規范是這種缺陷問題的主要誘因，如果出現在樁身則很容易產生斷樁情況。聲速和波幅是聲學參數的主要數值。當波幅急速降低時，質量缺陷處于樁身時通常會快速突變，形成“尖”樣，而在樁頂上這種突變是極為緩慢的過程。當樁基出現夾砂缺陷時，超聲波的聲速通常不會明顯降低，且聲速具體值通常不會過低。

三是夾泥：這是灌注樁樁身常見的質量問題之一，聲速和波幅均降低是聲學參數的主要表現，缺陷嚴重情況影響以上參數降低值的大小。當泥完全包裹聲測管時，聲參量大幅度降低，尤其是波幅，會形成“帽”狀。

四是分層離析：當出現這種質量缺陷時，引起的最直接后果是大量粗骨料堆積在樁身混凝土一側，而另一側通常僅有砂漿。粗骨料聚集過多的一側在聲學上表現出明顯高波速，形成一定縫隙，在該位置超聲波會出現不同程度的反射、散射情況，此時接收到的聲波能量將會有不同程度的衰弱，波幅顯著降低。