聲波透射法在鐵路橋梁樁基檢測中的應用

□ 陳 亮

聲波透射法檢測鐵路橋梁樁基工程，是近些年來伴隨我國鐵路客專、高速鐵路迅速發展的需要而大量采用的一種檢測方法。該檢測方法能準確、有效地檢測出鐵路橋梁樁基混凝土中存在的離析、夾泥、空洞、沉渣、斷樁等質量缺陷，為樁基完整性檢測判定提供可靠的依據，是一種便捷、快速、安全、可靠的檢測方法。在此，特結合以往鐵路橋梁樁基聲波透射法檢測的經驗，擬從聲波透射法檢測原理、適用范圍、現場檢測基本要求、現場檢測、數據分析及缺陷判斷等方面，對聲波透射法樁基檢測進行較為全面的分析研究，以期對開展同類樁基檢測工作有所裨益。

1 聲波透射法檢測原理

聲波透射法檢測混凝土樁基是根據“穿透法”，采用發射換能器重復發射超聲波脈沖，讓超聲波在所檢測的樁基混凝土中傳播，然后由接收換能器所接收[1]。超聲波在穿透混凝土介質的傳播過程中，會在樁身缺陷處發生繞射、折射和多次反射，接收換能器接收到聲波信號后，經過聲波檢測儀接收、處理并自動生成樁基檢測參數（如聲速、波幅、頻率、聲時）及相關檢測圖形（如聲時與波幅波形圖、波列圖，等等），動態地反映樁基混凝土基本質量及有關缺陷狀況[2]。

2 聲波透射法適用范圍

根據《鐵路工程樁基檢測技術規程》（TB 10218—2019）的規定，樁徑D≥2m或樁長L≥40m或特殊結構物或復雜地質條件下的基樁，應采用聲波透射法進行檢測；樁徑＜40m的樁基采用低應變法進行檢測。采用聲波透射法檢測鐵路橋梁樁基時，需按設計要求提前在樁身埋設聲測管。聲測管埋設如圖1所示，當樁徑D≤0.8m時，應埋設不少于2根管；0.8m＜D≤1.6m時，應埋設不少于3根管；1.6m＜D≤2.5m時，應埋設不少于4根管；D＞2.5m時，宜增加聲測管的埋設數量[3]。

目前鐵路橋梁工程樁基多采用1m、1.25m樁徑，聲測管按圖1（b）的布置方式埋設。

圖1 聲測管布置示意圖

3 鐵路橋梁樁基檢測

3.1 基本要求

在進行鐵路橋梁樁基檢測時，應以每個橋梁墩臺為一個檢測單元，每檢測單元應一次性連續檢測完畢。開始檢測時間：需待樁基混凝土強度達到設計強度的70%且不應低于15MPa時方可進行檢測[1]?？紤]到鐵路橋梁樁基工程施工工藝的需要，其樁基檢測應在承臺基坑開挖完成，并破除樁頭、割除聲測管頂部管節后進行，一般情況下應在某承臺最后一條樁基澆筑水下混凝土20d后進行較為適宜。

3.2 準備工作

現場檢測應先核對墩臺號、樁號，了解樁基類型（摩擦樁、端承樁）、樁徑、樁長、樁身混凝土等級、樁頂標高等設計參數。同時，應檢查聲測管頂部管口是否平齊一致、測管是否堵塞、聲測管內是否注滿耦合劑（清潔水），符合要求后即可開始檢測。如聲測管局部堵塞時，則應采取有效措施通管。通管方法：用高壓水沖洗清管，或采用鉆機配小鉆頭掃孔清管，或鉆芯通管，直至滿足測試要求。

3.3 現場檢測

采用數字非金屬聲波測試儀［如武漢巖海RS—ST06D（S）］。正式檢測前，需錄入被檢樁基的相關設計參數（如工程名稱、墩臺編號、樁基編號、樁基混凝土等級等），設定好測點間距。檢測時，測定樁長，采用平測法對全樁各個檢測剖面的樁身混凝土質量進行普查，當發現聲學參數出現異常部位時，采用加密平測、斜測或扇形掃測等細測方法進行驗證檢測[4]；必要時可鉆芯取樣、試壓予以驗證。平測法、斜測法、扇形掃測法的具體步驟如下：

（1）平測法是鐵路橋梁樁基檢測的常規方法，如圖2（a）所示。平測法檢測樁基發現聲學參數存在異常測點時，應采用斜測法或扇形掃測法對異常測點進行加密測試，以便準確確定異常部位的范圍，從而為樁身完整性判定提供可靠依據。

平測基本方法：先將發射、接收換能器分別置于1、2聲測管（見圖1）的管底并保持相同標高，然后按設定好的測點間距，自下而上將發射、接收換能器以相同的步長（一般采用200mm），勻速、平穩地向上提升（此時聲波檢測儀始終處于開機狀態），在提升過程中主機相關系統自動讀取步長、聲時、波幅、主頻、縱速等測試參數，自動記錄各測點的聲波信號，形成聲時、波幅曲線及波列圖等。根據近些年來開展鐵路橋梁樁基檢測的經驗看，在各種檢測參數中波列圖、縱速最為關鍵。一般情況下，根據波列圖、縱速即可判定樁身混凝土的缺陷類別（如離析、夾泥、沉渣、斷樁等）。

圖2 樁基檢測方法示意圖

（2）斜測法是驗證檢測的主要方法，如圖2（b）所示。斜測時應采取兩種不同的方式進行（不宜采用單一的斜測法驗證檢測）：第一，發射換能器比接收換能器位置高一個步長，且位于可疑點下方0.5r以上的距離（r為樁基半徑），此時接收換能器終止點位置應位于可疑點頂部0.5r以上的距離；第二，發射換能器比接收換能器的位置應低于一個步長，此時接收換能器應位于可疑點下方0.5r以上的距離，發射換能器終止點位置應位于可疑點頂部0.5r以上的距離。斜測法驗證檢測時，步長應≤100mm，提升發射、接收換能器時，應勻速、平穩保持同步。每一缺陷部位驗證檢測次數應≥2。斜測時，發射、接收換能器中心連線與水平面夾角宜按300°～400°范圍掌握，不宜過大。

（3）扇形掃測驗證檢測也可采用扇形掃測的方式進行，如圖2（c）所示。扇形掃測是將一個換能器置于某一高程不動，而將另一換能器逐點移動，使測線呈扇形分部。扇形掃測試時，各測點測距可不盡相同，各測點波幅不宜相互比較，應注意根據相鄰點測值的突變對某測點測線進行分析，缺陷判定主要依據應是縱速大小及聲波信號衰減程度。缺陷位于樁底部位，難以扇形掃測時，也可采取加密平測法予以驗證檢測，此時測點步距應≤100mm。

4 數據分析及缺陷判斷的主要方法

現場檢測完畢后，數據分析及缺陷判斷的主要方法：一是查看波列圖；二是核對缺陷區域的縱速值；三是進行綜合判定。有關方法及注意事項如下：

圖3 波列圖局部示意圖

4.1 查看波列圖

波列圖為聲時與波幅波形的集合圖，或聲測線的集合圖，如圖3所示。正常波列圖：全樁各檢測剖面范圍內，聲測線排列有序、規則分布、疏密得當，基本無畸變現象，如圖3（a）所示；缺陷波列圖：缺陷部位聲測線呈畸形變化，無首波，波幅較小，有的甚至呈直線狀，其余部位波列圖正常，如圖3（b）所示。

從圖3可以看出，正常波列圖與缺陷波列圖區別較大，易于辨識。因此，進行數據分析時，應查看波列圖，準確掌握每一條樁基各檢測剖面的缺陷數量及大致部位，從而為數據分析提供準確依據。

4.2 仔細核對缺陷區域的縱速值

聲速是分析樁身混凝土基本質量的一個關鍵聲學參數，利用聲波透射法檢測鐵路樁基時，聲速分析主要是對測試儀顯示屏中所顯示的縱速值進行分析。樁身混凝土正常狀態及各種缺陷狀態下（嚴重離析、嚴重夾泥、斷樁等），其縱速有相對應的確定值域，根據不同的縱速值基本可確定缺陷的大體類別，逐測點仔細核對縱速值后，即可準確地劃分缺陷的起始與終止部位。為快速、有效地進行數據分析，縱速值的核對與分析應在查看波列圖的基礎上進行。

4.3 綜合判定

為準確判定樁身缺陷類別、范圍及樁身完整性類別，在查看波列圖、核對縱速值的基礎上，還應依據聲時、波幅、主頻、聲時與波幅波形圖及鉆孔樁設計標準（混凝土等級）、鉆孔樁施工工藝及地質情況等進行綜合判定。由于超聲波在混凝土傳播過程中，遇到各種缺陷時會發生繞射、反射或多次反射，故聲時會延長（正常情況下其平均值大約為127μs，即Tm=127μs，缺陷嚴重時會延長至300μs～480μs），波幅也會隨缺陷類別的不同，發生不同的衰減或嚴重衰減變化（正常情況下，其波幅大約在102dB～111dB范圍內，斷樁時會衰減至0dB呈直線狀），主頻值也會隨缺陷類別的不同，發生不同的漂移或嚴重漂移（正常情況下主頻值一般比較穩定，遇到缺陷時會發生較大的漂移，斷樁時會漂移至20kHz以下），聲時與波幅波形也會隨缺陷的不同，發生不同的衰減變化，其中，圖4（a）為正常聲時與波幅波形，圖4（b）為斷樁時嚴重震蕩變化波形。

圖4 聲時、波幅波形示意圖

5 實例分析與判定

下面以樁徑1.0m、樁長L＞40m、樁身C45混凝土、埋設3個聲測管、檢測步距設定為200mm時的鐵路橋樁為例，對樁身混凝土質量及其缺陷進行綜合分析、判定如下：

5.1 樁基質量合格情況

樁基質量合格時（即Ⅰ類樁），測點縱速值在4300m/s～5100m/s范圍內。此時波列圖正常，首波完整，聲時、波幅波形形態較好，且波形基本無衰減變化。此時，波幅、聲時正常，主頻比較穩定，3個檢測剖面所有測點的聲學參數均會呈現出上述良好特征。

5.2 樁身混凝土離析

輕微離析時，測點縱速值一般保持在3700m/s～4300m/s范圍內。此時波列圖變化較大，首波不完整，聲時、波幅波形會發生畸變，聲時略有增加（約在150μs～160μs范圍內），主頻值略有漂移（約在43kHz～46kHz范圍內）。如該種缺陷僅發生在某一個檢測剖面，且其缺陷范圍不大時，該樁身混凝土質量可判定為合格；如果該種缺陷同時發生在多個測面時，其質量應判定為基本合格（即Ⅱ類樁）。

嚴重離析時，測點縱速值則會較低，僅能保持在3000m/s～3700m/s范圍內。此時波列圖變化較大，首波已發生畸變，聲時、波幅波形衰減變化極大，波幅劇烈震蕩；聲時會增加至210μs以上，主頻漂移量較大（有的低于35kHz）。如該種缺陷發生在單一檢測剖面且缺陷范圍較小時，樁基質量可判定為基本合格（Ⅱ類樁）；如該種缺陷同時發生在多個檢測剖面，且缺陷部位基本相同，缺陷范圍較大時，則應判定為嚴重缺陷，該種情況應鉆芯取樣驗證，當驗證強度嚴重低于設計強度時，樁基質量應判定為基本不合格（即Ⅲ類樁）。

5.3 樁身混凝土嚴重夾泥

一般情況下，這種缺陷出現在樁底較多（樁身局部塌孔時也可能出現）。樁底混凝土嚴重夾泥時，一般縱速值極低，僅能保持在1900m/s～2500m/s范圍內，此時波列圖變化極為嚴重，無首波，聲時、波幅波形基本呈直線狀，聲時會增加至290μs以上，主頻漂移較大（甚至低于26.0kHz）。樁底混凝土嚴重夾泥主要因施工工藝缺陷所致（孔頂儲料斗鋼閘板下未設置隔水裝置），該種缺陷對樁身影響的范圍一般會比較大（少則1m，多則3m），而且會同時影響3個檢測剖面，該時樁基質量應判定為基本不合格（即Ⅲ類樁）。

5.4 斷樁

該種缺陷大多由澆筑水下混凝土的工藝缺陷所造成（如拔管過高，露出混凝土面后第二次插管澆筑水下混凝土所致等）。出現斷樁事故后，3個檢測剖面的縱速值均會同時出現較大幅度的低值（一般會低至1600m/s～2500m/s范圍內）。此時多個檢測剖面均會在同一部位出現相同的缺陷，波列圖則會出現較大范圍的嚴重畸變，無首波，聲時、波幅波形基本呈直線狀；聲時會增加至300μs以上，主頻值則會降低至20kHz以下。該類缺陷性質極其嚴重，樁基質量應判定為不合格（即Ⅳ類樁）。

6 結語

根據近些年來鐵路橋梁樁基檢測的實際經驗看，聲波透射法檢測鐵路橋梁樁基時，可依據波列圖、縱速值對相關數據進行分析，并在此基礎上結合聲時、波幅、主頻、聲時與波幅波形及鉆孔樁設計標準（混凝土等級）、鉆孔樁施工工藝、地質情況等情況，對樁身完整性進行準確綜合判定。在此特將這種分析、判定方法與同行們進行交流、研討，以期把鐵路樁基檢測工作做得更好。