聲波透射法檢測樁身完整性能力驗(yàn)證探討與分析

黃鶴

摘要 為解決在聲波透射法檢測樁身完整性中出現(xiàn)的各種問題，文章以聲波透射法檢測樁身完整性進(jìn)行驗(yàn)證的優(yōu)劣勢為例，對在相關(guān)工作中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了對聲波透射法檢測樁身完整性能力出現(xiàn)的問題進(jìn)行快速處理的觀點(diǎn)，以期為相關(guān)工程提供參考。

關(guān)鍵詞 聲波透射法;檢測;樁身完整性

中圖分類號 TU473.16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0149-04

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，樁基得到越來越多的使用。由于樁基是隱蔽的，工作質(zhì)量控制難度大，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，對整個設(shè)施的安全影響很大。樁基質(zhì)量測量方法，主要有：鉆芯法、低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波透射法。尤其是聲波透射法傳輸方法簡單，檢測更準(zhǔn)確，施工方便，已成為重要的檢測工具，在各種工程中得到廣泛應(yīng)用。在聲學(xué)傳輸領(lǐng)域發(fā)展迅速，但也存在一些問題。該文在聲波傳輸領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以了解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)際測量中的一些問題。

1 相關(guān)的工程概況

引江濟(jì)淮是一個以改善淮河生態(tài)環(huán)境為主要目標(biāo)的大型多用途跨界水資源管理項(xiàng)目，主要通過城市、農(nóng)業(yè)和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展。派河口泵站樞紐的位置是在江淮溝通段的初始位置，起訖樁號編碼是J0+000～3+240。該節(jié)點(diǎn)包括一個泵站、一個控制水閘、一個二級水閘和一個新業(yè)主的抽排灌站、一個控制區(qū)、一個泵站和一個分開的水閘。其中引江濟(jì)淮派河口泵站基礎(chǔ)設(shè)計采用機(jī)械鉆孔混凝土灌注樁，設(shè)計樁徑為1 000 mm，設(shè)計樁長為40.00～45.00 m，樁端持力層為場地第⑤4層：粉細(xì)砂，設(shè)計單樁豎向抗壓承載力特征值為2 900～3 500 kN，基樁總數(shù)為101根。

2 檢測原理和檢測要求

在混凝土灌注樁施工前，要保證聲測管的安裝合理布置，聲測管預(yù)先埋入樁中，如換能器通道，聲測管對稱布置。然后將聲測管編號以最靠近北的方式編號，順時針編號為1，分別為1、2、3……等。檢測時，將兩個聲學(xué)測量管分成一個切口，聲測管編號由以下數(shù)字組成：12、23、13等。聲波透射法檢查樁身完整性的主要原理是在樁內(nèi)預(yù)埋數(shù)根聲測管，作為接收和發(fā)射聲換能器的通道，通過聲能轉(zhuǎn)換器、混凝土樁、具體的聲音信號在傳播過程中，會在距離、角度、位置等信息上存在缺陷。要由接收器對信號進(jìn)行接收并通過換能器并轉(zhuǎn)換電信號，經(jīng)聲傳感器處理后顯示在屏幕上，聲傳感器根據(jù)到達(dá)時間、大小、變化頻率、形狀程度等聲學(xué)特性進(jìn)行處理變形，這使得確定混凝土中的體積、程度和位置缺陷成為可能。樁的數(shù)量，以及它們符合規(guī)范的完整程度。聲脈沖在混凝土中傳播過程中，會發(fā)生彎曲、反轉(zhuǎn)、多次衍射等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致信號的整形頻率、振幅等參數(shù)發(fā)生變化，在這種情況下，接收到的信號將具有傳播缺陷、完整性缺陷等。使用適當(dāng)?shù)目刂坪蜏y量工具確定混凝土樁的完整性，分析接收信號的各種聲音參數(shù)[1]。

3 聲波透射法適用性

由于聲速與混凝土強(qiáng)度有一定的相關(guān)性，建立聲速與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線的方法現(xiàn)在廣泛用于確定混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但作為隱蔽工程、樁混凝土和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等橋板和樁，有很大的區(qū)別。橋梁板、樁等結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)與設(shè)計和配比的比例，以及均勻的混凝土質(zhì)量，但由于樁形成過程的限制，在地下水等因素的影響下，容易導(dǎo)致混凝土離析，從而導(dǎo)致混凝土樁身不同部位的實(shí)際結(jié)合而改變結(jié)構(gòu)的比例，這種變化是不可避免的，速度—強(qiáng)度曲線不能合理改變[2]。更重要的是，聲測管的平行度會影響聲速的確定，但在施工過程中并不能保證聲測管的安裝距離不會發(fā)生變化。在實(shí)際測試中，只測量樁聲測管之間的距離，并對該段的所有截面計算該距離處的聲速，這不可避免地導(dǎo)致聲速值與實(shí)際不相符。因此，在按照相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)描述傳聲應(yīng)用范圍時，不需要對樁身的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行推定，只需要驗(yàn)證樁身的完整性，確定缺陷的位置和范圍[3]。圖1為聲波透射法檢測樁身。

4 基樁常見缺陷類型

4.1 夾泥

鋪設(shè)基樁時，由于地層不平整或砂漿密度不夠，容易破壞孔壁，土壤進(jìn)入混凝土，導(dǎo)致樁身局部淤泥，危害嚴(yán)重斷樁。

4.2 斷樁

斷樁主要表現(xiàn)為聲速、波幅和頻率急劇下降，波形嚴(yán)重畸變或無接收波形，往往是成片出現(xiàn)，且多個剖面的大致深度范圍均存在上述異常情況。

4.3 混凝土離析

當(dāng)混凝土和易性不好、攪拌不均勻、水灰比過大或者灌注過程中導(dǎo)管漏水等原因都會產(chǎn)生混凝土離析。

4.4 樁頂混凝土疏松

樁頂混凝土疏松的產(chǎn)生主要是因?yàn)榛炷恋臐仓某嗔坎蛔悖瑯俄敳课坏幕炷僚c泥漿混合在一起，形成樁頂浮漿，導(dǎo)致樁頂部位混凝土強(qiáng)度降低。

4.5 沉渣

樁下淤泥是檢測基樁時經(jīng)常遇到的問題之一，主要是因?yàn)樗鼈儩B入得不夠徹底。成井后未清理井底，鋼筋籠下孔后未進(jìn)行二次清理。降水是出現(xiàn)在樁底的一種分散的低速媒介[4]。

5 聲波透射法在該項(xiàng)工程檢測中的應(yīng)用

5.1 基樁混凝土質(zhì)量檢測

在混凝土質(zhì)量控制工作的基礎(chǔ)上，常用的聲波傳輸控制方法，根據(jù)發(fā)射換能器入體的配置，可將具體部位分為一通入樁、通孔入體。打樁，入打樁的方法，這些檢測方法和操作各不相同，適用范圍也不同，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行選擇。樁施工中最常見的一種測試方法，只需將換能器放在支樁的通道中，并將接收器放在通道的另一端，將換能器和接收器放在接收器內(nèi)部，放置測聲測管道內(nèi)充滿清水，然后用隔音材料將換能器隔開，可以獲得準(zhǔn)確的聲學(xué)參數(shù)，操作比較簡單，這種方法的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，但是由于鋼材材質(zhì)對超聲波的影響，多孔洞影響超聲波的傳播，這種方法不適用于通道支座內(nèi)有鋼材或地基上有多個孔洞的情況。相比之下，穿樁法可以用多根聲測管檢測發(fā)射器和受話器之間的混凝土質(zhì)量，不僅有效檢測范圍更廣，而且可以根據(jù)不同的情況改變發(fā)射器和受話器的位置和角度。實(shí)際需要，可以在檢測領(lǐng)域靈活控制，技術(shù)上更加成熟可靠。但需要注意的是，由于穿樁法通過不同通道的位置改變了換能器和接收器的位置，因此對檢測區(qū)域的控制，對孔數(shù)的要求較高，如果地基中的通道較少，則它們的檢測范圍會受到很大限制，在這種情況下，通孔法更具優(yōu)勢[5]。通過巢穴的通道，通常是通過在樁的土壤部分鉆孔作為控制通道進(jìn)行的，發(fā)射器可以放置在樁的頂部，接收器可以放置在樁的底部。樁的外孔，因此，即使基礎(chǔ)中不再有換能器通道或開工的優(yōu)越結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)上混凝土的有效質(zhì)量控制。因此，它通常用于各種特殊情況下的檢測。但需要注意的是，超聲波能量樁穿透方法有限，對支撐樁長度的要求較高，因此其應(yīng)用受到限制，也影響了檢測精度。

5.2 基樁聲波透射法樁身判定標(biāo)準(zhǔn)不同情況特征

第一，所有聲測線聲學(xué)參數(shù)無異常，接收波形正常;聲學(xué)參數(shù)有輕微偏差的異常聲線，波形輕微失真，在任意剖面的任意區(qū)域內(nèi)縱向不連續(xù)，橫向分布小于控制剖面50%的任何深度的異常聲線。

第二，異常聲線與聲學(xué)參數(shù)略有偏差，波形輕微失真，異常聲線在一個或多個控制剖面的一個或多個部分中具有連續(xù)的垂直分布或在一個或多個深度處的橫向分布超過50%或等于50%;聲學(xué)參數(shù)有明顯偏差、波形明顯畸變的異常聲線，任一異常聲線探測剖面的任何部分縱向連續(xù)分布，橫向分布小于探測剖面數(shù)的50%。

第三，聲學(xué)參數(shù)明顯偏離的異常聲線，波形明顯畸變，異常聲線在一個或多個控制剖面的一個或多個截面上連續(xù)垂直分布，但橫向分布在低于50%以下的任何深度控制配置文件;異常聲線，聲學(xué)參數(shù)有明顯偏差，波形明顯畸變，異常聲線檢測到的任何剖面的任何斷面垂直連續(xù)分布，但在一個或幾個深度或多或少水平分布超過50 %。

聲學(xué)參數(shù)嚴(yán)重偏差的異常聲線，波形明顯畸變或低于深度限值的異常聲線，在任何探測剖面的任何部分垂直分布連續(xù)的異常聲線，在任何深度小于檢測配置文件數(shù)量的 50%。

第四，聲學(xué)參數(shù)明顯偏差的異常聲線，波形明顯失真，在一個或多個控制剖面的一個或多個部分垂直連續(xù)分布并在一個或多個深度具有或多或少的橫向分布的異常聲線小于 50%，或等于檢測的配置文件數(shù)量。

聲學(xué)參數(shù)嚴(yán)重偏差的異常聲線，波形明顯畸變或低于閾值的異常聲線，異常聲線沿垂直方向均勻分布在控制剖面的一段或多段或在控制剖面的一個或多個深度橫向分布，超過或等于控制剖面的 50%。

5.3 透射法檢測樁基缺陷處理

第一，缺陷的規(guī)模和程度的確定應(yīng)結(jié)合部門和臨床拍攝進(jìn)行。同步評價，在特定的測試中表現(xiàn)迅速，可以作為檢測缺陷的重要依據(jù)，雖然現(xiàn)有的測試方法允許采樣間隔設(shè)置為0.1 m，處理過程中不需要加密，但測量準(zhǔn)確度在混凝土試驗(yàn)中隨著檢測缺陷和特定范圍而降低。因此，檢測操作必須以扇形或斜向火來完成。第二，在特定的檢測周期內(nèi)，往往由于聲測管的傾斜，導(dǎo)致整體檢測剖面中的聲速值存在較大差異，目前在特定檢測過程中使用的軟件可以自行修正聲測管偏轉(zhuǎn)，但在糾偏過程中，要保證聲速的有序變化，防止盲目糾偏，導(dǎo)致最終結(jié)果失真，影響最終確定的缺陷。第三，在交通運(yùn)輸部、建設(shè)部相關(guān)控制計量標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)缺陷的實(shí)際情況，需要對樁身進(jìn)行分離，檢測聲學(xué)剖面參數(shù)的偏差和異常點(diǎn)，對樁的類型作出準(zhǔn)確的結(jié)論。混凝土樁本身必須壓緊，技術(shù)和地質(zhì)條件復(fù)雜，也導(dǎo)致檢測聲學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，工程理論異常可能是缺陷點(diǎn)，因此，根據(jù)具體情況，采取相應(yīng)的綜合解決方案必須實(shí)施[6]。

5.4 如何在現(xiàn)場進(jìn)行檢測的相關(guān)規(guī)定

平測時，聲波發(fā)射與接收聲波換能器應(yīng)始終保持相同深度，自樁底向上同步提升，聲測線間距不應(yīng)大于100 mm;提升過程中，應(yīng)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(wěn)定性，提升速度不宜大于0.5 m/s;斜測時聲波發(fā)射與接收換能器應(yīng)始終保持固定高差，且兩個換能器中點(diǎn)連線的水平夾角不應(yīng)大于30°;同一檢測剖面的聲測線間距、聲波發(fā)射電壓和儀器設(shè)置參數(shù)應(yīng)保持不變。

5.5 檢測現(xiàn)場常見的問題及處理

5.5.1 檢測過程中接收信號消失

造成這種現(xiàn)象的原因，一是聲測管缺水，二是儀表系統(tǒng)故障，三是樁身缺陷嚴(yán)重，聲波能量弱，不允許在接收端接收信號。先檢查測深管內(nèi)是否有水，注滿清水后，仍然沒有信號，換能器的量程會增加，如果信號逐漸正常，則這是樁的嚴(yán)重缺陷身體。是否有聲測管供應(yīng)或無信號，可將換能器平行放置在空氣或水中（5 cm），取樣，觀察是否有接收信號，是否有波狀裝置設(shè)備系統(tǒng)故障[7]。

5.5.2 判斷設(shè)備系統(tǒng)故障的部位

將超聲波儀器連接到相位距離為5 cm左右的平面換能器進(jìn)行采樣，如正常的波狀超聲波儀器沒有故障，以確定換能器故障。當(dāng)發(fā)射器-換能器出現(xiàn)故障時，在沒有噪聲的情況下進(jìn)行采樣時，利用準(zhǔn)徑向接收換能器的平面發(fā)射器的輻射，信號接收正常。如果沒有波形，則表示接收換能器損壞。

5.5.3 接收時好時壞

換能器剛下至聲測管底，測試波形正常，一會兒波形異常。在地面檢查或換能器干燥后波形正常，該現(xiàn)象是換能器信號線破損、水密性喪失引起[8]。

5.5.4 樁頭部位測點(diǎn)聲速、幅值下降

檢查樁頭部位混凝土質(zhì)量良好，可能是由于聲測管與混凝土產(chǎn)生間隙造成，在樁頭澆清水可改善。

6 結(jié)語

聲波透射法是一種可靠、直觀的基樁完整性檢測方法，能通過聲速、波幅、PSD曲線快速確定缺陷的大致深度范圍。鉆孔取芯結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和準(zhǔn)確性。同時，聲波透射法的多種檢測方式，如扇測、平測相結(jié)合，可進(jìn)行基樁CT像。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀器性能的改進(jìn)聲波透射法將會得到更好的發(fā)展。

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