橋梁樁基施工超聲波檢測(cè)技術(shù)控制分析

吳建江 張成成

摘要：橋梁樁基混凝土采用超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)混凝土的完整性和強(qiáng)度指標(biāo)，可以為公路橋梁的驗(yàn)收提供科學(xué)依據(jù)，橋梁樁基施工具有高度的隱蔽性，施工質(zhì)量缺陷極不容易被發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量事故的處理成本較高、技術(shù)難度也較大。橋梁樁基檢測(cè)是樁基施工質(zhì)量控制的必要環(huán)節(jié)。以華北地區(qū)橋梁樁基施工超聲波檢測(cè)技術(shù)為例，通過(guò)第三方的檢測(cè)案例，分析了混凝土超聲波檢測(cè)技術(shù)在橋梁樁基檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：橋梁混凝土;超聲波檢測(cè)技術(shù);樁基檢測(cè);應(yīng)用分析

近年來(lái)我國(guó)高等級(jí)公路橋梁建設(shè)速度突飛猛進(jìn)，橋梁樁基已經(jīng)成為一種重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，華北地區(qū)橋梁樁基工程由于其特殊的設(shè)計(jì)構(gòu)造和地質(zhì)條件，平原地區(qū)樁基多為樁基與土體相互摩擦的摩擦樁，由于工程條件和地質(zhì)特性的特殊性，受到施工專業(yè)技術(shù)水平及經(jīng)驗(yàn)的影響而變得比較復(fù)雜，樁基施工中極易形成縮徑、空洞、混凝土離析和混凝土強(qiáng)度偏低等質(zhì)量缺陷，要想準(zhǔn)確的測(cè)定樁基缺陷的位置和缺陷類別，制定正確的處理措施、評(píng)定樁基的質(zhì)量等級(jí)，橋梁樁基檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為橋梁檢測(cè)的重要組成部分。

1樁基檢測(cè)技術(shù)組成及分類

橋梁樁基的成樁檢測(cè)方法按橋梁檢測(cè)規(guī)范有低應(yīng)變、高應(yīng)變、靜載荷載試驗(yàn)和超聲波檢測(cè)，其中超聲波檢測(cè)是應(yīng)用較為廣泛和有效的檢測(cè)方法。超聲波檢測(cè)樁基技術(shù)是利用超聲波在介質(zhì)中傳播質(zhì)點(diǎn)的彈性振動(dòng)過(guò)程，測(cè)試儀器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)射頭，發(fā)射探頭將脈沖能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，接收探頭再將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電磁振動(dòng)能量，發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)介質(zhì)水的耦合和放大，從而顯示在檢測(cè)儀的屏幕上，成為可以直觀觀察和讀取的波形曲線數(shù)據(jù)，通過(guò)曲線判斷樁身混凝土的均勻性、缺陷性質(zhì)和缺陷部位。

采用超聲波檢測(cè)設(shè)備RS-ST06D型超聲波檢測(cè)儀及配件（圖1）進(jìn)行樁基檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)連接示意圖如圖2。

進(jìn)行樁基超聲波試驗(yàn)分析時(shí)，當(dāng)波形曲線形態(tài)完整圓滑、振幅大、主頻峰值突出、首波陡峭，第一周期波形沒(méi)有畸形波，接收波的包絡(luò)呈現(xiàn)明顯的半圓形，一周期的后半周達(dá)到較高振幅時(shí)，可以判斷此灌注樁沒(méi)有質(zhì)量缺陷。

2超聲波的檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

在日常的樁基超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和分析時(shí)，要著重采用波幅臨界值、聲速值進(jìn)行判定，結(jié)合波形特征來(lái)判定樁身的完整性，特殊情況時(shí)要綜合PSD值、聲速離異系數(shù)以及相關(guān)資料來(lái)判定樁身完整性的類別，超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)主要有：①混凝土聲速的平均值V均;②混凝土聲速的標(biāo)準(zhǔn)差Sv;③混凝土聲速的變異系數(shù)Cv;④波幅測(cè)量的平均值A(chǔ)m;⑤混凝土的PSD值。

《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T 3512-2020）中，根據(jù)樁身是否存在缺陷、嚴(yán)重程度和波形特征，將樁身的完整性按以下4類進(jìn)行劃分及判定：Ⅰ類樁：樁身完整，可正常使用;各聲測(cè)剖面每個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲速、波幅值均大于臨界值，波形正常。

Ⅱ類樁：樁身基本完整，有輕度缺陷，不影響正常使用;某一聲測(cè)剖面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)的聲速、波幅值略小于臨界值，波形基本正常。Ⅲ類樁：樁身有明顯缺陷，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響;某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值小于臨界值，PSD值變大，波形產(chǎn)生畸變。Ⅳ類樁：樁身有嚴(yán)重缺陷，對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有嚴(yán)重影響;某一聲測(cè)剖面連續(xù)多個(gè)測(cè)點(diǎn)或某一深度樁截面處的聲速、波幅值明顯小于臨界值，PSD值突變，波形嚴(yán)重畸變。某單位路橋檢測(cè)中心負(fù)責(zé)檢測(cè)的XX高速公路X標(biāo)段k53+382.6辛莊橋的的超聲波檢測(cè)樁基，樁基設(shè)計(jì)直徑1200mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為41m，采用內(nèi)部埋設(shè)ABC三根聲測(cè)管的檢測(cè)方法，聲測(cè)管組數(shù)為AB、AC、BC三組相互耦合，耦合介質(zhì)為水，1-1#～1-3#樁基的完整性檢測(cè)結(jié)果如表1。

在橋梁樁基的超聲波檢測(cè)檢測(cè)過(guò)程中，超聲波到達(dá)樁基混凝土的缺陷臨界面時(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生散射和繞射，使得到達(dá)接收換能器的波幅振動(dòng)明顯變化，可以根據(jù)放大的換能器信號(hào)和聲波波幅的變化劇烈程度，判別缺陷的性質(zhì)及大小。同時(shí)超聲波通過(guò)缺陷部位也會(huì)引起傳播路徑及其相位的變化，影響信號(hào)的主頻和頻譜的形狀，造成接收信號(hào)的波形畸變，超聲波的能量迅速衰減，傳播路徑發(fā)生變化，這時(shí)可以結(jié)合低應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行缺陷樁基檢測(cè)（圖3），將其與超聲波檢測(cè)結(jié)果示意圖（圖4）進(jìn)行比較，從而準(zhǔn)確判斷樁基的完整程度，達(dá)到無(wú)破損樁基檢測(cè)精確的目的。

利用超聲波分別對(duì)完整混凝土和缺陷混凝土進(jìn)行檢測(cè)比較，通過(guò)超聲波的聲速、波幅頻譜圖差異的比較，充分利用缺陷混凝土與超聲波聲學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，可以綜合判定混凝土的內(nèi)部缺陷情況，利用超聲波分析PSD與聲速波幅結(jié)合的綜合測(cè)定，可以對(duì)樁身混凝土進(jìn)行判斷，超聲波檢測(cè)在橋梁樁基工程施工的質(zhì)量檢測(cè)中能夠取得滿意的結(jié)果。

3超聲波檢測(cè)樁基的注意事項(xiàng)

（1）超聲波聲測(cè)管埋設(shè)時(shí)必須保證各聲測(cè)管之間相互平行對(duì)稱，探頭可以在聲測(cè)管內(nèi)同步自由的伸縮，橋梁聲測(cè)管埋設(shè)根數(shù)與樁基的直徑密切相關(guān)，公路橋梁工程中樁徑小于800mm時(shí)聲測(cè)管一般為2根，樁徑大于1600mm時(shí)聲測(cè)管一般不少于4根，樁徑在800mm～1600mm時(shí)聲測(cè)管宜采用3根，采用儀器檢測(cè)時(shí)每2根聲測(cè)管為一組分別進(jìn)行檢測(cè)。

（2）樁基宜在成樁28d后進(jìn)行超聲波檢測(cè)，樁頭部位先開(kāi)挖和破除樁頭，表面磨平后再進(jìn)行檢測(cè)，必要時(shí)在表面鋪水泥砂漿整平檢測(cè)面，破樁頭要注意保護(hù)成樁時(shí)埋設(shè)的聲測(cè)管，注意聲測(cè)管內(nèi)不得掉進(jìn)混凝土殘?jiān)入s物，不得灌入泥漿而影響測(cè)試探頭順利放入樁底，必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)處理措施。

（3）聲測(cè)管應(yīng)與鋼筋籠的主筋牢固的綁扎在一起，禁止采用焊接形式與主筋焊接在一起，沿樁長(zhǎng)每隔不超過(guò)3m采用鉛絲綁扎一道，聲測(cè)管口接頭處與主鋼筋點(diǎn)焊連接，聲測(cè)管采用鑄鐵管制作，鑄鐵管壁厚滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，要特別注意鑄鐵管接頭處的焊接質(zhì)量，保證聲測(cè)管的內(nèi)徑有足夠空間，換能器能夠在聲測(cè)管內(nèi)部自由伸縮。

（4）超聲波檢測(cè)儀器由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、成對(duì)換能器組成，檢測(cè)儀器符合鑒定有效期內(nèi)的技術(shù)性能求，檢測(cè)前進(jìn)行嚴(yán)格的律定試驗(yàn)，波形清晰、聲時(shí)準(zhǔn)確，換能器的精度要符合成樁的設(shè)計(jì)要求，盡量采用重量相對(duì)較大的換能器，換能器要能夠同時(shí)收放、高度始終保持一致。

（5）超聲波的頻譜分析通過(guò)各頻率的分量幅度解析，找出幅度最大的主頻率，在頻譜分析時(shí)截取不同的波列長(zhǎng)度將得到不同的頻譜曲線，在頻譜分析中要考慮分辨率和漏波對(duì)檢測(cè)精度的影響，同時(shí)考慮疊加波對(duì)檢測(cè)的不利影響。

（6）檢測(cè)中要獲得一次波頻譜特性，橋梁樁基檢測(cè)要合理選取采樣的頻率，使信號(hào)的頻譜分析有足夠的精度，最大限度的降低時(shí)域精度和頻域精度的影響范圍。

4超聲波樁基檢測(cè)技術(shù)的局限性

超聲波檢測(cè)樁身部位的混凝土缺陷一般都能夠順利測(cè)出，但是樁身混凝土檢測(cè)只是針對(duì)兩根管間的混凝土，而對(duì)于樁基的擴(kuò)徑等則不能有效的測(cè)出，因此超聲波檢測(cè)技術(shù)是具有一定局限性的，超聲波只能檢測(cè)樁基部分的混凝土質(zhì)量，對(duì)于嵌巖樁或者支撐樁，還應(yīng)該配合低應(yīng)變反射法檢測(cè)樁端的支撐情況，以確保樁基保承載力滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5結(jié)語(yǔ)

超聲波樁基檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作快捷方便的特點(diǎn)，超聲波測(cè)試儀的穿透能力較強(qiáng)，特別適用于對(duì)樁基混凝土的檢測(cè)和驗(yàn)收，超聲波技術(shù)可以適用于超大尺寸混凝土灌注樁的檢測(cè)，也可以檢測(cè)樁基混凝土內(nèi)部的質(zhì)量缺陷和強(qiáng)度情況，超聲波測(cè)試時(shí)需要操作人員具有一定的工作經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)精度的高低與試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷密切相關(guān)，超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠得到某些測(cè)線上的混凝土質(zhì)量信息，利用超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，其成像結(jié)果是精確可控的。

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