聲波技術在混凝土橋梁檢測中的應用

劉濱

（江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330013）

0 引言

混凝土橋梁檢測作為一項系統性的工作，通過應用聲波檢測技術，能夠在不破壞混凝土結構的基礎上，明確結構存在的問題，為混凝土橋梁后期維護工作奠定基礎。

1 聲波檢測技術實現原理

橋梁樁基檢測環節，應用超聲檢測技術進行，利用超聲設備完成檢測，快速確定內部結構質量，及時發現缺陷問題，便于提升橋梁質量水平。通過超聲設備直接向混凝土樁基結構發射高頻脈沖彈性聲波，經過結構內部發生反射，再利用精密度高的接收設備獲取信號，進而快速地掌握聲波在樁基結構內的傳輸情況，通過計算和分析，得出是否存在缺陷的結論。聲波檢測技術檢測樁基的工作原理見圖1。

圖1 聲波檢測樁基混凝土原理

在檢測工作中，把聲波檢測器聲測管線安裝到樁基一側上，將設備上的發射、接收探頭與聲測管進行連接，在管道內部注入耦合劑，一般是清水。設備按照特定的周期發射電脈沖信號，然后在系統內轉換成為符合需要的高頻彈性聲波。樁基混凝土結構內進行脈沖的傳輸，利用設備直接獲取脈沖的頻率、頻譜、波形等信息，快速判斷出缺陷具體的數據信息，并通過設備分析數據信息，進而得出缺陷發生的位置、缺陷具體情況以及影響參數等，并判斷出強度等信息。

2 聲波透射技術

2.1 樁內單孔透射法

該方法通常聯合鉆芯檢測方式同時使用，以提升檢測效率和水平。應用樁內單孔透射法，一般需要在樁基內部預留一個單孔，安裝一個換能器，該裝置能夠接收、發射信號。在檢測工作中，檢測內部安裝隔音材料實現隔離處理，發射聲波后，利用耦合劑直接穿越到混凝土內，最后再返回到接收器上，利用聲學參數可以快速地掌握樁基結構內部狀態。如果樁基內部存在鋼管，會對測量質量產生不利影響，所以應根據實際情況選擇確定方案，提升檢測質量和效果。

2.2 樁外孔透射法

該方法通常應用在沒有設置換能器的情況下，可以獲取較為準確的檢測效果。在測量工作的實施中，一般需要在樁體結構的外部土層內設置一個測量孔，系統內主要包含發射、接收換能器和聲波檢測儀。系統安裝需要將發射換能器安裝到樁基頂部，空洞內安裝接收換能器，通過接收系統可以快速地掌握樁基、土層內聲波變化形態。樁外透射法的優勢是操作簡單，還能保護樁基的完整性，但是在具體的操作中，其聲波衰減的速度很快，對發射器的功率要求較高，且不能應用到長樁基測量中。此外，該方法只能應用在斷樁、縮頸等質量問題檢測中，而如果灌注樁的剖面尺寸不規則，容易導致檢測出現較大的偏差，所以應根據實際情況，合理選擇應用。

2.3 跨孔透射法

該方法應用比較普遍的是聲波透射檢測法，檢測開始前在樁基內安裝兩根聲測管。檢測工作過程中，在管道內部注入清水作為耦合劑，在管道內分別安裝發射、接收換能器。檢測開始時，工作人員開啟設備將聲波發射出去，經過管道內清水傳播到接收換能器，確定具體的檢測范圍。從實際情況分析，跨孔透射法應用的基礎是兩根聲測管，雖然安裝較為煩瑣，但應用時有明顯的優勢，檢測靈活、方便，數據精度高。在具體的檢測過程中，需要根據檢測的要求同時提升接收、發射換能器的高度，然后逐一進行檢測。此外，利用接收、發射換能器存在的高度差，將聲波制作為規定斜角。如果測量時發現樁基內有裂紋或者異物，應及時調整高差，得出不同聲波網，實現裂紋點的交叉測量，快速獲取精度較高的測量數據。測量人員可以固定一點，移動另外一點，形成扇形測量區域，獲取檢測信息，數據精度高、準確性好。

3 混凝土橋梁檢測聲波檢測技術應用分析

3.1 橋梁混凝土樁基檢測準備

3.1.1 聲波檢測管線埋設

聲波檢測工作開展前，先進行管線的埋設施工，這樣可以保證換能設備通道正常工作，得出準確檢測數據信息。目前檢測管線通常是金屬材質的線路，通過螺紋連接形成，管線內直徑比換能設備外直徑小15mm 左右。聲波檢測中，管線多制作成鋼筋籠，采取綁扎施工方式，設置在不低于樁身300mm 的位置，預防有雜物進入到管道內而影響檢測精度。

3.1.2 聲波檢測設備準備

混凝土橋梁檢測過程中，超聲檢測設施是基礎，也是保證檢測結果質量的關鍵因素。目前來說，超聲設備包含聲波檢測儀器、能量轉換器、計算設備、檢測管線等。在開展檢測工作前，應進行聲波檢測設備的校正、調節，各項技術參數都符合要求、達到檢測標準要求才能開展檢測，以免對檢測活動造成不利影響。

3.2 聲波檢測技術實施工序

在進行橋梁樁基不同剖面檢測工作中，先利用平測的方式，獲取斷面異常的位置信息，然后再進行加密平測、扇形掃測或者傾斜檢測等操作。在平測剖面環節，各項設備在檢測時應同步進行升降操作，得出準確的數據信息。傾斜測量剖面時，發射、接收換能器應設置一定的高度差，再同時升降設備，保持高度差不變，得出具體的測量差異參數值，及時發現缺陷部位。扇形掃測方式的應用，是利用發射換能設備在特定高度上進行，再利用其他的測量線路以扇形剖面方式測量。扇形掃測中，各個測量點設置的測量距離有差異，波速的比較可以快速確定，但是波幅并不能準確確定，只能通過臨近測量點進行缺陷分析。

3.3 聲波檢測參數結果測評

以不同測量點來明確相應的聲波波幅、聲速等數據，并與樁基結構高度對比分析，從而進行缺陷測算分析，最終得出檢測結果，判定樁基是否存在缺陷問題。

3.3.1 混凝土強度參數結果

在檢測工作中，應通過混凝土抗壓強度與彈性模量之間關系，確定聲波速的數據，主要是利用聲波速和混凝土力學性能、抗壓強度的關系，結合表1 確定混凝土強度參數。

表1 聲速與強度比較

聲速/（km/s）強度測評低于2很差2～3差3～3.5待定3.5～4.5好＞4.5很好

3.3.2 根據聲波傳播速度參數判別

在檢測工作后，利用概率方法計算，可以獲取聲波傳播標準臨界值參數。質量符合要求的混凝土結構，聲波臨界參數具備離散性特征，所以聲波速確定時，需要利用質量合格混凝土標準差與聲波速參數確定，提高數據測量精度的要求。

3.3.3 根據聲波波幅參數判別

對混凝土結構聲波幅數據進行對比，了解缺陷部位和正常部位的差異。如果波幅臨界值相對較小，通常將平均值6dB 作為臨界值使用，以確定具體的缺陷位置。樁基混凝土結構的聲時參數如果存在變化，回歸造成深度缺陷斜率的增大，這樣利用聲時參數即可確定缺陷問題的程度，再根據相應的曲線斜率，得出準確的質量缺陷數據。如果檢測時發現某個部位上的斜率發生很大的變化，即可確定缺陷位置。

3.3.4 聲波波幅、傳播速度及PSD 參數評測

在樁基結構檢測中，波幅變化過于劇烈的檢測點，即缺陷發生率較高的部位，需要根據現場情況增加扇形掃測或傾斜檢測等方法聯合測量，通過波幅數據信息可以得出缺陷等級、位置信息，為缺陷處理提供基礎。如果波幅、傳播速度、缺陷斜率等方面的差異明顯，還要考慮到現場施工情況、波形變化等方面因素，再確定具體的缺陷位置。如果波速經過檢測后，持續性低于臨界值，再輔助使用鉆芯法得出具體數據信息。

4 基于實際工程的測量和數據分析

4.1 工程概況

該橋梁項目總長為481m，為連續梁的結構形式，使用的是三跨中央雙索面斜拉橋的形式。在橋梁表面設計為雙向四車道，橋梁寬度為24.5m，總計使用44 根樁基，樁徑在1200～2800mm 之間，采用鉆孔灌注樁的形式，樁徑2.8m、樁長20m，在內部埋設有4 根聲測管，樁基結構施工的4 周后，開始進行超聲檢測。

4.2 檢測準備

檢測工作開始前，做好下述幾個方面的工作。

4.2.1 技術調研

技術人員深入橋梁工程現場了解樁基特點，發現在樁基內埋設的聲測管是正方形布置的形式，這種形式優先選擇跨孔透射法。總結以往工作經驗，結合此次橋梁的實際情況，吸收并且借鑒了局部條件下情況，選擇聲波測量分析技術，可以防止存在不利影響，提高檢測結果和精度，對后續工作產生積極的作用。

4.2.2 加強環境控制

為了提高檢測精度，提升固化水平，需要合理地應用聲波測量技術，在樁頭的部位實施必要的開挖和破除樁頭的工作，然后進行表面磨平處理，為檢測工作順利實施提供基礎。

4.2.3 選擇合適的檢測設備

技術人員對現場情況進行綜合分析，了解影響因素，最終選用ZBL-U5600 便攜式超聲儀，這是目前使用比較普遍的探測儀設備，通用價值較高，可以快速完成樁基缺陷檢測，了解樁體結構的完整性信息。該項目使用的換能器是發射縱波振動換能器裝置。

4.3 現場檢測

在現場檢測的過程中，主要做好如下工作：

第一，檢測聲測管的平行度。在檢測工作實施前，進行各個聲測管平行度的檢測。在此次工程中，發現4 根聲測管平行度有一定偏差，但是在合理的范圍內，不會給檢測結果產生不利影響。

第二，了解聲測管距離關系，測定分析聲測管到外壁的距離，確定符合此次測量標準要求。

第三，聲測管外徑57mm，壁厚3.5mm，因為管道壁厚對測量結論存在著直接的影響，所以需要做好分析，為誤差分析提供基礎。檢測工作正式開展時，先應用平測的方式進行測量。測量工作開展環節，同時提升發射、接收換能器，為防止出現過大的誤差，應在檢測時利用水平儀調整處理，達到精準性要求。發射波控制環節，為提高測量精度，技術人員需要及時落實頻率、振幅的調節，加強頻率、振幅控制，以得出準確的檢測結果。如果檢測發現有異常問題，需要記錄高度數據。一組測量結束后，再進行剩余管道測量，構建測量數據模型，實現定量分析。

4.4 數據分析

數據分析要從下述幾點出發：聲速、波幅和PSD（Power Spectral Density，信號的功率譜密度）。經過上述數據分析，可以判定樁基質量。因為測量數據較多，部分檢測結果見表2。

表2 檢測結果（部分）

主頻/kHz 41.2 41.2 41.2 43.1 41.5測點序號12345深度/m 17.6 17.8 18.0 18.2 18.4跨距/mm 2360 2360 2360 2360 2360聲時/ms 173.0 173.0 174.0 173.0 177.0聲速/（km/s）3.825 3.825 3.804 3.825 3.743波幅/nV 97.1 96.4 96.0 97.6 96.5

振幅數據按照規定數據確定。此次橋梁檢測工作平測衰減的標準為6dB。這是平均參數值，分析發現只有一處衰減超出6dB 平均參數值，技術人員先將該位置標記為疑似缺陷位置。在全面檢測結束后，針對標記好的疑似缺陷位置，應用傾角測量、扇形測量等方式，確定具體的缺陷問題范圍。此次檢測發現缺陷并未超出規定的要求。根據表2 的各項數據信息，判定出這兩個測管樁體的連接性能是比較好的。在18.8～20m 的區域內，發現聲速有所降低，但是基本處于正常的范圍內，測量樁基承壓強度，沒有對樁基承壓力造成過大的影響。按照目前國家標準要求，此次測量樁基結構完全符合工程的要求，達到橋梁使用標準，不會引發質量事故問題，可以投入使用。

5 聲波檢測技術操作要點

檢測工作開始前，需要預埋聲波聲測管，該環節應確保各個管線是水平對稱的布置形式，探頭可以在管道內部隨意移動。聲測管的數量根據樁基管徑密度參數確定，加強管線防護管理，端部設置蓋板，防止雜物進入內部。加強樁基內部控制，避免探頭直接落入管線底部，也不能有其他物質影響測量的效果。

聲波檢測技術應用環節，需要在橋梁樁基混凝土施工結束四周后開展。檢測工作實施中，應按照挖樁、破樁、找平、檢測的順序開展。此外，加強現場管控，預防有雜物進入管線內而影響測量數據精度。

聲波探頭包含傳感器、數據采集元件等，應保證各個元件質量合格，并選擇符合設計要求的測試模塊進行，確保獲得的數據達到精度的要求、波形清晰可見。聲測管線必須和鋼筋籠穩定連接，防止發生堵塞、形變等問題。根據設計方案的要求，確定最佳的聲測管厚度參數、確認焊接連接效果達標、管線內部直徑滿足測量的要求。聲波檢測工作開展前，應在管線內部注入足量的清水作為耦合劑使用，并加強水質的控制，預防因為水質渾濁而導致衰減、傳播時間延長，對檢測精度產生不利的影響。如果經過檢測后確定樁基某部位質量不合格，還要聯合鉆芯技術補測，得出完整性參數。加強檢測工序的控制，澆筑保持連續進行，底部沉渣厚度在合理的范圍內，預防發生離析、冷接縫的問題，提升樁基結構的性能和承載力，保證符合橋梁工作的標準要求。

6 結語

綜上所述，在混凝土橋梁檢測中，應用聲波技術具備非常明顯的優勢，主要表現為操作簡單、結果精準、直觀，但單純應用聲波透射法并不能準確判斷出樁基缺陷問題，基于此，應聯合多種方法進行全面檢測，發揮出聲波檢測的優勢，也提高檢測精度，便于及時處理樁基缺陷問題，提升承載力，滿足橋梁運行要求。應重視聲波檢測技術的研發和應用，保障混凝土橋梁樁基性能和質量。