軟土樁基超聲波透射無損檢測技術

袁金興, 陳文霜, 陸敬輝, 張 燁

（1.蘇州中正工程檢測有限公司，江蘇 蘇州 215129；2.蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215011）

20 世紀70 年代，聲波透射法被應用于樁基完整性檢驗，至今技術已相對成熟。目前，透射法大量使用的數字式聲波儀有很強的數據處理、分析功能,幾乎所有的數學運算都是由計算機來完成的[1]。但是單一的透射法一般僅適用符合“一維均質桿件”假定的混凝土樁,不能完全適用于組合樁、異形樁等，存在一定的局限性；若結合鉆孔取芯法對檢測結果進行復判，則會使樁基檢測的完整性和準確性大大提高，從而能夠更大程度保證工程的安全。本文在已有研究基礎上，結合兩個工程實例，利用透射法對樁基完整性進行評價，同時結合鉆孔取芯驗加強驗證，提出解決樁基缺陷措施。

1 超聲波透射法的工作原理

費馬定律表明：聲波在介質內從一點向另一點，一定會沿著最佳、最省時的路徑傳播[2]。聲波在介質中傳播，其能量和傳播規律會隨著介質的不同而有所不同[3]。將混凝土視為內部均勻的復合體，作為彈性體介質，聲波在混凝土中的傳播路徑符合彈性波在介質中的傳播規律。樁基作為一種由水泥、空氣、水、砂石等混合而成的材料，在聲波通過時可能會有孔隙、夾泥夾砂、裂縫、蜂窩等，對聲波的傳播產生干擾和阻礙，從而影響聲波的聲速、波形、波幅。當混凝土制作的構件，如樁基存在缺陷時，超聲波傳遞到這里的傳播情況就發生變化。超聲波往往在到達樁基缺陷處產生反射、散射與繞射[4]。例如，當聲波遇到蜂窩、空洞時，由于空氣和水的聲阻抗小于土的聲阻抗，缺陷面會發生散射或反射，從而波頻減小、波幅降低[5]；當樁基存在裂縫、離析等問題時，聲波將會繞開障礙，傳播路徑相對變得復雜、冗長，以此可以推斷出聲速降低；除此之外，為了避開缺陷位置，聲波在傳播路徑上與直線傳播路徑不同，在各種缺陷問題的干擾下，波形同樣會有所差異。

2 超聲波透射法檢測樁基的優缺點

2.1 優點

1）聲測管埋置在樁底，可以盡可能全面詳細地對樁基完整性進行檢測。

2）樁基的使用性能及受力性能可受到最大程度保護。

3）現場檢測工序較為簡單、便捷，作業時間較短，可以快速地判斷樁基缺陷大小、位置及完整性，不會阻礙施工進度。

2.2 缺點

1）聲測管價格較高，檢測費用也相對較高，增加了成本。

2）聲測管使用年限有限，當存在鐵銹時，會對檢測結果造成干擾。

3）正常水平檢測時，可以確定豎向缺陷的位置，但是要通過加密斜測才能更準確地確定缺陷范圍，而且后期處理也較為復雜[6]。針對其中一些問題，一些學者提出兩邊和單邊剔除的數理統計方法、以聲測線代替測點等方法來改善該項技術[7]。

3 透射法檢測流程及數據分析

3.1 檢測流程

1）清理平整檢測場地，做好檢測前的準備工作。

2）檢測開始可先設檢測通道，即將多根豎向相互平行的聲測管埋設至被測樁內，隨后將清水或黃油作為耦合劑注入管內，注滿為止。聲測管布置見表1。

表1 聲測管布置

3）通過超聲檢測儀進行超聲脈沖發射，檢測中可根據發射、接收換能器的3 種不同位置，分為平測、交叉斜測和扇形掃測3種測量方式[8]。

4）通過儀器內的數據處理軟件綜合分析、處理接收到的所有信息，以判斷基樁是否完整、是否存在缺陷等[9]。

采用超聲波透射法對樁基完整性進行檢測時，從樁底開始每隔一定高度選取一個剖面，發射與接收換能器累積高差不得超過2 cm。檢測時，若察覺聲波參數異常，應引起注意，采用測距為10～20 cm 加密平測或斜測或扇形掃測的方法，檢測出缺陷所在的詳細部位、性質及其大小[10]。見圖1。

圖1 聲波透射法測試

3.2 檢測方法

利用功率譜密度（PSD）判別、聲速判斷、波幅判斷3種方法分析所監測樁基是否存在缺陷并判斷缺陷位置。將檢測結果傳入數據分析系統，可得到相關聲學參數變化情況。

3.2.1 聲速判據

將同一檢測剖面上各測點的聲速值從大到小排列,即[10～11]

式中：νi為按序排列后的第i 個聲速量值；n 為檢測剖面測點數；k 為從0 開始逐一去掉式（1）νi序列尾部最小數值的數據個數。

對從0開始逐一去掉νi序列中最小數值后余下的數據進行統計計算。當去掉最小數值的數據個數為k時，對包括νn-k在內的余下數據ν1- νn-k按下式進行統計計算[10～11]

式中：λ可查表2得到。

表2 λ數值

將νn-k與異常判斷值ν0進行比較，當νn-k＜ν0時，νn-k及其以后的數據均為異常，去掉νn-k及其以后的異常數據，再用ν1- νn-k重復式（2）～（4）的計算步驟，直到余下的數據全部滿足

此時，ν0為聲速異常判斷臨界值νc。

聲速異常時的臨界值判據為

主要決定判斷樁體質量的因素是波速，某深度樁身處波速有較大幅度的變化且比通過概率法計算出的波速臨界值還要低時，在材料密實度上能夠對樁體對應的混凝土進行一個大致的判定[12]。

3.2.2 波幅判據

在缺陷處，波幅異常，一般比較小。通常用波幅的平均值減去6 dB作為臨界值。

波幅異常時的臨界值判據按下式計算[11]

式中：Am為波幅平均值，dB；n為檢測剖面測點數。

當式（8）滿足時，波幅可判定為異常，樁基存在缺陷并可判別樁基缺陷類型[13]。

3.2.3 PSD判據

PSD 判據以“聲時-深度曲線”相鄰兩點的斜率與兩點的差值作為缺陷判據。根據PSD 值在某深度處的突變，結合波幅變化情況，進行異常點判定。

式中：tci、tci-1分別為第i、i-1測點聲時，μs；Zi、Zi-1分別為第i、i-1測點深度，m。

由于PSD 與兩聲時差平方成正比，PSD 判據相比于聲速判斷對樁基缺陷更加敏感，不但能定性，還可以定量地判斷缺陷的大小，同時排除了聲測管不平行或混凝土整體不夠均勻因素帶來的變化而造成的漏判[14]。

3.3 樁身完整性判定

樁身完整性類別應結合對樁身質量可疑點加密測試后確定的缺陷范圍，按表3 所描述的特征進行判定[6，15]。

表3 樁身完整性判定

4 超聲波透射檢測樁基完整性實例

針對鉆孔灌注樁的成樁缺陷，如沉渣、低強度區、樁身夾泥、樁身離析、樁頭浮漿與斷樁等問題，超聲波透射檢測法十分有效。通過一定測距的平測、斜測與扇形掃測下的聲速、波幅、PSD 值可大致判斷缺陷位置、范圍及類型，在某些情況下需要輔以鉆孔取芯的方式對缺陷類型加以定性。以下選擇2種較為典型的鉆孔灌注樁缺陷實例，探析超聲波透射技術的實用性。

4.1 實例1

某高層建筑1#樁長29.5 m、樁徑1 200 mm，采用超聲波透射檢測，選擇3 根聲測管每隔1 m 深度測量一次。檢測數據表明樁長23 m 以上及樁長26 m 以下各檢測深度對應的1-2、1-3、2-3 剖面的波速、聲時與波幅均在小范圍里波動，然而23～26 m 深度范圍內各檢測截面波速與波幅均顯著變動。見圖2。

圖2 1#樁聲學參數曲線

1#樁多截面檢測均存在缺陷，符合離析、縮頸等缺陷特征，鉆孔取芯發現，此段樁體泥漿膠凝效果較差，表面有較大孔，骨料松散，樁體灌注成型時可能發生護壁剝落坍塌造成混凝土中夾泥，可能清孔時水未完全排出或汛期澆筑導致土質含水率高而產生離析。該缺陷嚴重影響樁體穩定性與承載能力，判定為IV類樁。

4.2 實例2

某大橋1-1#樁基長8.3 m、樁徑1 200 mm，鉆孔灌注樁，預埋3根聲測管并每隔500 mm逐點檢測。1-2、1-3、2-3 剖面管距均為750 mm。檢測結果表明，3 個檢測剖面聲速、波幅與PSD值在6.8、7.8 m深度處均產生畸變，其中PSD 值遠高于常規值，6.8 m 深度處聲速與波幅處于正常范圍內，而1-2、2-3 剖面PSD 值顯著畸變，由此可見在6.8 m 深的2#聲測管附近有局部缺陷，7.8 m深度處1-2、2-3剖面的聲速與波幅低于超聲波常規傳導值且1-3、2-3 剖面PSD 值發生畸變，所以在7.8 m 深度有大范圍缺陷。根據6.8 m 深度處缺陷判定該截面處離析或縮頸，根據7.8 m 深度處缺陷判定該截面為沉渣缺陷，均建議采用鉆孔壓漿方法填充缺陷。1-1#樁身部分截面存在畸變，影響樁體穩定性，判定為III類樁。見圖3。

圖3 1-1#樁聲學參數曲線

5 結論

聲波透射法作為一項較為成熟的技術，具有“高精度、高辨別率、高效率”的優點，在樁基完整性檢測中是一個十分行之有效的方法。

在檢測過程中，將波速對比、波幅分析、PSD 值判斷統一總結，綜合分析出最終結果，以此確定缺陷的類型、位置和大小，可以對樁基完整性進行合理判斷。

由于檢測過程中聲測管、收發換能器等多種因素的細微影響，很容易造成誤差，因此在必要的時候，需要重復多次檢測或采用鉆芯法進行復判。與此同時，透射法檢測樁基完整性仍然存在著一些程度的不足，還有待繼續加強與完善。