超聲波在樁基完整性檢測(cè)中的應(yīng)用探討

徐顯

（上海隧道工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200000）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快推動(dòng)了土木工程建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)橋梁向著大橋和特大橋方向發(fā)展。橋梁上端荷載量不斷增大，同時(shí)，樁基的長(zhǎng)度和直徑也越來(lái)越大。作為工程項(xiàng)目的隱蔽工程，樁基質(zhì)量對(duì)于工程項(xiàng)目的質(zhì)量有極大的影響。樁基工程質(zhì)量影響因素眾多，通常普通的檢測(cè)方法不容易對(duì)樁基質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與判斷。現(xiàn)如今，可以通過(guò)比較多的方法檢測(cè)樁基，而超聲波檢測(cè)技術(shù)就是其中檢測(cè)效果比較良好的一種檢測(cè)技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用在對(duì)于樁基的檢測(cè)。超聲波檢測(cè)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單，不容易受外界干擾，檢測(cè)的反應(yīng)速度快、具有較準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果以及安全等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲波技術(shù)在樁基檢測(cè)中能夠較為準(zhǔn)確的判定樁身缺陷的位置、范圍和程度，為樁基質(zhì)量安全提供保障。

1 樁基完整性超聲波檢測(cè)技術(shù)原理

1.1 樁基完整性超聲波檢測(cè)法概述

在實(shí)際檢測(cè)樁基完整性過(guò)程中，超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用就是基于超聲波的傳播規(guī)律以及發(fā)射和接收超聲波的方式等進(jìn)行類(lèi)別的劃分，包括透射法、回波法等。超聲波檢測(cè)技術(shù)不同其應(yīng)用的范圍也就不同，比如透射法超聲波技術(shù)能夠在不同的多樣性的介質(zhì)中進(jìn)行使用，并且介質(zhì)的質(zhì)地可以不均勻，被普遍的應(yīng)用于對(duì)于樁基完整性的檢測(cè)中[1]。對(duì)于超聲波回波檢測(cè)法而言，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的要求較高，其應(yīng)用條件是介質(zhì)較為均勻，通常在檢查金屬樁基中進(jìn)行應(yīng)用，所以，其應(yīng)用的范圍相對(duì)而言受到限制。超聲波檢測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)與不足。

（1）超聲波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：①?gòu)膽?yīng)用范圍看，超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍廣，包括金屬材料、非金屬材料、復(fù)合類(lèi)材料等各種材料檢測(cè)中，超聲波技術(shù)都有著廣泛應(yīng)用。超聲波檢測(cè)技術(shù)的穿透力非常強(qiáng)，能夠?qū)y(cè)物體的厚度比較大的物體存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。例如，通過(guò)超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)τ诓恍∮?m的金屬物體進(jìn)行直接檢測(cè)[2]。此外，超聲波檢測(cè)能夠?qū)τ诒容^長(zhǎng)的鋼管進(jìn)行穿透。②超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)τ诖嬖谌毕莸奈恢眠M(jìn)行比較精準(zhǔn)的定位，靈敏度比較高，不但能夠?qū)γ娣e較大缺陷進(jìn)行比較準(zhǔn)確的檢測(cè)，同時(shí)能夠?qū)γ娣e比較小的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。③超聲波檢測(cè)技術(shù)的成本相對(duì)比較低，能夠進(jìn)行快速檢測(cè)，并且對(duì)于周?chē)h(huán)境不會(huì)造成損害，在工程質(zhì)量檢測(cè)中有著廣泛應(yīng)用。

（2）超聲波檢測(cè)技術(shù)的不足在于：①現(xiàn)階段隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，盡管超聲波檢測(cè)技術(shù)在工程質(zhì)量的檢查過(guò)程中有著廣泛應(yīng)用，并且具有檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，然而，超聲波檢測(cè)技術(shù)在對(duì)樁基內(nèi)部缺陷的定性判斷時(shí)，并不能準(zhǔn)確的判定具體的缺陷性質(zhì)。②超聲波檢測(cè)技術(shù)盡管能夠?qū)τ诒粯痘嬖谌毕莸奈恢眠M(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，然而要求工作人員對(duì)于定量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究。③當(dāng)異質(zhì)物體存在于被檢測(cè)樁基中時(shí)，將使檢測(cè)的最終結(jié)果受到影響。④通過(guò)超聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，當(dāng)使用手工脈沖的方法時(shí)，同樣會(huì)使檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及真實(shí)性等受到一定影響。

1.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)在樁基完整性檢測(cè)中的應(yīng)用原理

回波法在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)，因?yàn)閷?duì)于應(yīng)用的條件要求比較高，從而影響了回波法的應(yīng)用，主要應(yīng)用于質(zhì)地比較均勻的介質(zhì)方面，比如檢測(cè)金屬探傷等，但是實(shí)際檢測(cè)材質(zhì)的質(zhì)地通常不均勻，這就限制了超聲波回波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[3]。因?yàn)榛炷临|(zhì)地通常不均勻，因此，對(duì)于樁基檢測(cè)而言，通常應(yīng)用超聲波透射法。超聲波透射法檢測(cè)樁基完整性技術(shù)的原理為，事先將一定數(shù)量聲測(cè)管安裝在樁基的內(nèi)部，同時(shí)加入融合劑，通常清水作為耦合劑。一根聲測(cè)管內(nèi)對(duì)超聲波進(jìn)行發(fā)射，另外一根則對(duì)超聲波進(jìn)行接收。需要指出的是，進(jìn)行聲測(cè)管安裝時(shí)需要確保安裝的聲測(cè)管保持互相平行，同時(shí)確保聲測(cè)管牢固的綁定與鋼筋籠上，聲測(cè)管的連接處也必須加強(qiáng)保護(hù)，保證超聲波發(fā)射和接收的徑向換能器能夠順利的通過(guò)聲測(cè)管，這是使用超聲波透射法檢測(cè)樁基完整性的必要條件之一，為順利應(yīng)用超聲波透射法檢測(cè)樁基完整性提供保障。基于此，對(duì)于被測(cè)樁身的混凝土聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)樵诨炷羶?nèi)進(jìn)行傳播過(guò)程中，超聲波一旦和缺陷相遇，將會(huì)出現(xiàn)繞射、折射以及反射等現(xiàn)象，由此改變了超聲波的波幅、主頻率以及換能器時(shí)間等參數(shù)，通過(guò)采集和分析這些超聲波的特征來(lái)判別樁身的完整性，根據(jù)超聲波聲速、波幅是否小于臨界值、PSD～深度是否明顯變化來(lái)綜合判斷。檢測(cè)設(shè)備及流程如圖1 所示。

圖1 檢測(cè)設(shè)備及流程

1.3 超聲波檢測(cè)技術(shù)方法

超聲波檢測(cè)技術(shù)主要包括3 種測(cè)量方法，分別是扇形掃測(cè)法、平測(cè)法和斜測(cè)法。超聲波檢測(cè)技術(shù)的集中方法均為根據(jù)發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備程度不同、高度也不同展開(kāi)檢測(cè)。在實(shí)際工程檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)用比較廣泛的為平測(cè)法、斜側(cè)法。超聲波進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)的間距一般不超過(guò)250mm，要保持發(fā)射和接收超聲波的換能器以相同的高度同步上升[4]。需要指出的是，接收和發(fā)射超聲波的換能器相對(duì)高程的不同影響著接收信號(hào)的強(qiáng)弱程度，基于此，測(cè)量深度的準(zhǔn)確性要得到保證，從而使采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，保證最終結(jié)果與判斷不會(huì)受到影響。

2 超聲波在樁基完整性檢測(cè)中應(yīng)用的流程

（1）事先預(yù)埋聲測(cè)管。借助于超聲波檢測(cè)樁基的完整性時(shí)的首個(gè)步驟就是在樁身事先埋入一定數(shù)量的聲測(cè)管。基于樁基的直徑對(duì)于埋入的檢測(cè)管的數(shù)量進(jìn)行確定。通常情況下，當(dāng)樁基的直徑小于1.0m 時(shí)，事先埋入的檢測(cè)管的數(shù)量為2 根；當(dāng)樁基直徑大于或等于1.0m 且小于或等于1.6m 時(shí)，事先埋入的檢測(cè)管的數(shù)量為3 根；如果樁基的直徑比1.6m 大，但是比2.5m 小，事先埋入的檢測(cè)管的數(shù)量為4 根；如果樁基的直徑等于2.5m 或者是比2.5m 大，那么事先埋入的檢測(cè)管的數(shù)量要多于4 根[5]。與此同時(shí)，對(duì)于樁基的完整性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)用超聲波，選擇聲測(cè)管的類(lèi)型時(shí)，需要基于聲測(cè)管的材料、被檢測(cè)的樁基的成分等進(jìn)行綜合考慮，在滿足要求的條件下，通常盡可能的對(duì)于金屬材質(zhì)聲測(cè)管進(jìn)行選擇，建議采用聲測(cè)管厚度2mm 以上，以保證聲測(cè)管的剛度和強(qiáng)度，避免聲測(cè)管的變形。對(duì)于相鄰的兩段聲測(cè)管進(jìn)行連接時(shí)，可以使用“螺旋法”進(jìn)行連接，且必須保證連接處密封，防止聲測(cè)管滲漏被堵塞，此外，要求換能器比聲測(cè)管的直徑要最少不少于1.5cm。對(duì)聲測(cè)管進(jìn)行捆綁時(shí)，需要牢固的固定在鋼筋籠上，同時(shí)，做到完全封閉事先在樁基底部預(yù)埋的聲測(cè)管，聲測(cè)管的管口一般比樁頂混凝土高至少10cm，同時(shí)對(duì)管口加蓋[6]。

（2）基于對(duì)樁基的具體直徑和長(zhǎng)度進(jìn)行充分考慮的基礎(chǔ)上，對(duì)合理的檢測(cè)換能器與設(shè)備進(jìn)行選擇，同時(shí)合理的調(diào)整設(shè)備的參數(shù)。需要指出的是，當(dāng)檢測(cè)設(shè)備的參數(shù)確定之后，在通過(guò)超聲波進(jìn)行樁基完整性檢測(cè)過(guò)程中，不能隨意的改變已經(jīng)確定的參數(shù)。同時(shí)，檢測(cè)過(guò)程中樁基的檢測(cè)電壓必須要保持不變。

（3）將超聲波發(fā)射檢測(cè)換能器與接收檢測(cè)換能器分別置于互相平行的聲測(cè)管內(nèi)。需要注意的是，檢測(cè)換能器需要保持放置于相同的深度同步升降。利用超聲波對(duì)樁基進(jìn)行完整性檢測(cè)過(guò)程中，要求對(duì)各種聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的記錄，同時(shí)對(duì)換能器的具體位置進(jìn)行采集。檢測(cè)時(shí)，要求對(duì)于實(shí)際的換能器的位置以及深度進(jìn)行核對(duì)，確保相同換能器的測(cè)點(diǎn)之間的距離要比250mm 短。通過(guò)超聲波進(jìn)行樁基完整性檢測(cè)時(shí)，換能器的深度要保持一致，如果需要改變，則必須要同步進(jìn)行調(diào)整，即同時(shí)升高或者同時(shí)降低，對(duì)于換能升降的速度、高度等進(jìn)行隨時(shí)校對(duì)，確保相對(duì)高差的累計(jì)值比20mm 低[7]。

（4）兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的間距應(yīng)不大于0.25m。當(dāng)通過(guò)超聲波進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中存在聲學(xué)參數(shù)的異常，需要對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合理的加密檢測(cè)。檢測(cè)的順序通常按照由下到上的順序進(jìn)行，對(duì)于異常波段以及異常波形進(jìn)行及時(shí)的記錄，并給予判別。檢測(cè)點(diǎn)加密過(guò)程中通常是以平測(cè)法為依據(jù)進(jìn)行加密。當(dāng)利用超聲波對(duì)規(guī)格比較大的樁基進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，同時(shí)已經(jīng)事先在樁基中對(duì)多個(gè)聲測(cè)管進(jìn)行埋設(shè)，那么需要通過(guò)分組的方式進(jìn)行樁基的測(cè)量。

3 超聲波在樁基完整性檢測(cè)中應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 對(duì)聲速值進(jìn)行計(jì)算

通常情況下是借助于經(jīng)過(guò)樁基，脈沖達(dá)到設(shè)定位置的時(shí)間對(duì)聲速進(jìn)行計(jì)算。如果混凝土樁基具有比較均勻的介質(zhì)與質(zhì)地，不存在質(zhì)量與缺陷問(wèn)題，那么利用超聲波進(jìn)行樁基檢測(cè)時(shí)設(shè)置檢測(cè)管的位置為平行設(shè)置，同時(shí)，獲取的聲速值基本相同。但是，當(dāng)質(zhì)量問(wèn)題與缺陷等存在于樁基中或者是樁基中有混凝土離析、夾泥和蜂窩等時(shí)，那么此時(shí)獲得的聲速值比無(wú)缺陷的均勻混凝土介質(zhì)的聲速值要小，并且相應(yīng)增加了脈沖在樁基通過(guò)的時(shí)間[8]。事實(shí)上，超聲波對(duì)樁基進(jìn)行完整性檢測(cè)時(shí)，聲速與混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，基于此，通過(guò)聲速值可以整體上對(duì)樁基質(zhì)量進(jìn)行體現(xiàn)，同時(shí)對(duì)于樁基的缺陷進(jìn)行判斷。需要注意的是，借助于聲速判斷樁基的適量過(guò)程中，要求明確聲速狀態(tài)的臨界點(diǎn)。

3.2 對(duì)樁基質(zhì)量進(jìn)行判斷

超聲波檢測(cè)技術(shù)在樁基中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于樁基的完整性做出比較準(zhǔn)確的判斷。事實(shí)上，除了樁基的完整性，樁基強(qiáng)度也非常重要，其原因在于樁基的強(qiáng)度直接影響著樁基的質(zhì)量，而超聲波波速對(duì)應(yīng)樁身的混凝土強(qiáng)度并沒(méi)有非常明確的相關(guān)性。一旦樁基有質(zhì)量問(wèn)題的存在，將會(huì)造成不同程度事故的發(fā)生。雖然發(fā)生事故的原因包括設(shè)計(jì)、勘查、工藝、樁基質(zhì)量等多方面，然而借助于對(duì)樁基的質(zhì)量檢測(cè)能夠?qū)Υ嬖诘膯?wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)質(zhì)量問(wèn)題的預(yù)防與及時(shí)處理。此時(shí)應(yīng)對(duì)于樁基的實(shí)際承載能力進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合樁基的完整性以及樁基材料、樁基施工工藝等可能存在的問(wèn)題進(jìn)行尋找，通過(guò)有針對(duì)性的措施進(jìn)行解決，從而為樁基安全提供依據(jù)。

4 超聲波在樁基完整性檢測(cè)中的應(yīng)用

對(duì)于樁基完整性進(jìn)行檢測(cè)通常采用的方法有超聲波法、低應(yīng)變反射波法、高應(yīng)變法以及鉆孔取芯法，其中低應(yīng)變反射波法和高應(yīng)變法是在樁基的頂端施加沖擊荷載，從而使樁基基身能夠和土體發(fā)生共振，然而工作人員借助于合適的儀器以及設(shè)備，檢測(cè)樁基頂部發(fā)生的振動(dòng)的速度，運(yùn)用波動(dòng)理論進(jìn)行完整性分析，不能很準(zhǔn)確的判斷缺陷的性質(zhì)和程度；鉆孔取芯法，可以借助于對(duì)混凝土芯樣進(jìn)行鉆取的方法來(lái)對(duì)樁身完整性進(jìn)行直觀的判斷，一般要求芯樣的鉆取大約10cm 的直徑，對(duì)整個(gè)樁身完整性的評(píng)價(jià)缺乏代表性，而且鉆孔取芯法是有損檢測(cè)；而超聲波法通過(guò)對(duì)樁身混凝土合理間距的超聲波發(fā)射和接收，實(shí)測(cè)樁身具體位置的混凝土聲學(xué)參數(shù)，能對(duì)樁身的完整性進(jìn)行較好的判斷。超聲波法對(duì)于樁基的完整性進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，工作人員通過(guò)超聲波透射技術(shù)，對(duì)于混凝土中超聲波傳遞的具體參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，比如超聲波的頻率、超聲波的振幅與聲速等，對(duì)于超聲波的傳播狀態(tài)進(jìn)行分析，由此對(duì)混凝土存在的缺陷進(jìn)行尋找，對(duì)混凝土均勻性、完整性進(jìn)行判斷。通常情況下，借助于超聲波透射技術(shù)對(duì)于樁基缺陷展開(kāi)判斷時(shí)，能夠確保樁基檢測(cè)質(zhì)量。

5 超聲波在樁基完整性檢測(cè)中應(yīng)用需要注意的問(wèn)題

5.1 超聲波在樁基檢測(cè)中無(wú)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收

造成該問(wèn)題產(chǎn)生的原因有兩方面，一是聲測(cè)管中沒(méi)有耦合劑水，二是換能器已損壞。因此，解決方法為：一是檢測(cè)注入到聲測(cè)管內(nèi)的水的情況，確保注滿水。如果缺水或者是沒(méi)有水，需要將水注滿聲測(cè)管，然后進(jìn)行檢測(cè)；二是當(dāng)聲測(cè)管內(nèi)注滿水，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，若仍沒(méi)有波形的產(chǎn)生，那么需要對(duì)換能器進(jìn)行更換。

5.2 超聲波在樁基檢測(cè)中信號(hào)不穩(wěn)定

造成該問(wèn)題的原因主要是：①換能器內(nèi)部的電子元件接觸不良或是連接換能器的導(dǎo)線發(fā)生了破損。②聲測(cè)管內(nèi)的水質(zhì)不好，存在較多的雜質(zhì)。因此，解決的方法為：①對(duì)于換能器的連接導(dǎo)線和電子元件等進(jìn)行檢查，如果有損壞的存在，需要更換及時(shí)。②對(duì)聲測(cè)管內(nèi)的水進(jìn)行更換，聲測(cè)管內(nèi)的水盡可能不要長(zhǎng)時(shí)間的放置。一旦放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需要及時(shí)進(jìn)行更換，從而確保檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性。

5.3 樁基頂部的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常

造成該問(wèn)題的原因包括：①當(dāng)提高換能器的位置時(shí)，聲測(cè)管內(nèi)的水位降低，沒(méi)有及時(shí)加水造成檢測(cè)的參數(shù)出現(xiàn)異常，甚至是不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收。②當(dāng)對(duì)樁頭混凝土進(jìn)行破除過(guò)程中，因?yàn)榘l(fā)生振動(dòng)，樁頂混凝土有細(xì)小裂縫的出現(xiàn)，或者是間隙存在于聲測(cè)管、混凝土內(nèi)，從而導(dǎo)致了檢測(cè)的參數(shù)發(fā)生異常。因此，解決的方法為：①對(duì)聲測(cè)管內(nèi)及時(shí)注滿水。②對(duì)混凝土是否出現(xiàn)裂紋或者混凝土與聲測(cè)管之間是否存在間隙進(jìn)行檢查。

5.4 樁基底部的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常

造成該問(wèn)題的原因主要包括：①樁基的底部存在過(guò)厚的沉渣。②換能器沒(méi)有在同一個(gè)斷面上，由此造成了檢測(cè)參數(shù)發(fā)生異常，甚至是不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行正常接收。因此，解決的對(duì)策為：①提高換能器的高度，然后進(jìn)行調(diào)試。②將樁基底部的沉渣進(jìn)行處理，確保樁基底部混凝土的完整性。

5.5 對(duì)造成聲學(xué)參數(shù)異常的原因進(jìn)行確定

超聲波檢測(cè)樁基過(guò)程中造成聲學(xué)參數(shù)發(fā)生異常的原因比較多，因此，需要進(jìn)行深入全面的分析，從而確定具體原因。比如混凝土離析，由于混凝土存在較多的粗骨料，砂漿不足，影響了檢測(cè)過(guò)程中超聲波的波速，從而使檢測(cè)結(jié)果受到影響。基于此，要對(duì)混凝土材料進(jìn)行科學(xué)配比。此外，混凝土灌注過(guò)程中存在過(guò)長(zhǎng)的澆筑停滯時(shí)間、二次澆筑等，都會(huì)造成超聲波檢測(cè)過(guò)程中波形發(fā)生畸變，針對(duì)不同問(wèn)題進(jìn)行分析，采用具有針對(duì)性的解決對(duì)策確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語(yǔ)

作為典型的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲波檢測(cè)不會(huì)影響到樁基本身的質(zhì)量與完整性，同時(shí)，超聲波檢測(cè)技術(shù)的結(jié)果較為準(zhǔn)確，在樁基檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用。作為工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，工程質(zhì)量受到樁基質(zhì)量的影響非常大。借助于超聲波技術(shù)檢測(cè)樁基工程，能夠?qū)τ跇痘嬖诘膯?wèn)題與缺陷及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并采取妥善措施進(jìn)行處理。相對(duì)于傳統(tǒng)的對(duì)樁基進(jìn)行檢測(cè)的方法，比如鉆芯法等而言，超聲波具有無(wú)損傷的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)痘|(zhì)量、完整性進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)具有比較好的可視化，能夠有效指導(dǎo)樁基工程施工，從而為樁基工程質(zhì)量的提高提供保障。