聲波透射法在基樁檢測中的應用

林超

（廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司，廣東 廣州 510440）

1 前言

隨著科技的不斷發展和國家對基礎建設的大力支持，我國住宅建設日益增多。樁基作為房屋的基礎部分，隨著工藝的不斷提高已經朝著超長、大直徑樁施工的方向進行發展，因此鉆孔灌注樁這種樁基施工方法備受施工方青睞。由于鉆孔灌注樁制造過程的多階段和復雜性，以及其結果對人為因素的依賴性，在鉆孔灌注樁中會出現各種缺陷：無混凝土區、孔隙、混凝土強度下降、天然土夾雜等[1]。在制造過程中，由于樁基在長度、連續性、形狀、直徑、混凝土強度等設計特性上的偏差，導致樁基承載能力的損失和橋梁、基礎的沉降，甚至是建筑物和結構的破壞。傳統的靜荷載樁試驗、高應變動力試樁作為最具代表性的試驗，只能確定樁的承載力，無法保證樁作為鋼筋混凝土結構的質量，這也是國際標準對鉆孔灌注樁鉆孔完整性控制的原因[2]。因為直接檢測的方法包括傳統方法的樁基檢測、取樣和實驗室的后續檢測等方法，不但耗時而且昂貴。因此，有必要研究一種價格低廉并且不會破壞混凝土結構的檢測方法，以方便快速了解樁基的完好程度。

樁安裝質量的主要要求是：符合幾何參數、混凝土連續性和混凝土強度符合聲明參數[3]。世界范圍內的實踐提出了對此類結構進行質量測試的各種方法，幾乎所有這些方法都基于兩種方法：聲波檢測和反射波檢測[4]。低應變反射波法由于發射能量低，遇到缺陷衰減快，不利于測試深大樁基。聲波透射法因其不受樁長、樁徑條件限制，結果直觀可靠而廣泛應用于混凝土基樁檢測。本文闡述了聲波透射法檢測的原理，討論了檢測數據的處理和評判依據，并利用工程實例進行了分析。

2 聲波透射法檢測的原理

聲波透射法是指利用聲波的透射作用，對材料的整體完好性進行檢測，并可以直接基于反射波形得到相對準確的檢測結果[5]。當聲波通過非均勻性材料時，反射波形會產生一定的變化，從而可以根據其變化推斷材料內部為何種缺陷，如破樁、夾泥、密實度不足等。該方法檢測樁身構造完整性的基本原理為：通過聲波脈沖發射器向混凝土中發射高頻彈性脈沖信號，當波觸及混凝土缺陷后，由于波在缺陷內部透射與反射，可明顯減少所收集到的透射能量。當建筑物內部存在結構疏松、蜂窩、空洞等嚴重問題時，就會出現聲波散射和衍射，而通過波形的第一波的頻率、波形的功率衰減特征、時間變化規律以及波形畸變情況等，就能夠得到該部位建筑物的結構密實性數據以及不同側面、不同層次的聲波特性。這樣就可以得出混凝土參考強度以及內部缺陷的所有位置信息和特征。

3 檢測數據處理與判斷

3.1 聲速概率法

混凝土由于自身特性而具有不均勻性，因此聲速測試的數值會出現符合正態分布的離散。但在混凝土缺陷處會導致聲速降低而出現不符合正態分布的異常值。因此，確定聲速臨界值時應該基于其平均值和標準差，否則可能導致由于聲速平均值過小而被誤判的情況出現。聲測值的平均值、標準差、變異系數計算如式（1）～（3）。

式中Vm為聲測值的平均值；Vi為第i個測點的聲測值；n為測點數；Sx為聲測值的標準偏差；CV為聲測值的變異系數。

當聲測值不大于V0時，該數據予以剔除，直到剩余的數據均大于V0時，V0作為異常判斷臨界值Vc，按式（4）計算。

式中λ為參數，由中值濾波檢測值查表得；V0為聲速異常判斷值。

3.2 PSD判據

在現場測試中，可能會受諸多因素的影響，不同樁號的鉆孔灌注樁內混凝土的均勻性具有一定的差異性，因此聲波接收的時間也是相對離散的，并且考慮到鋼筋籠的影響，聲測管可能存在一定的位移，這會導致實際測量值產生或大或小的波動。針對上述問題，通常采用PSD方法，其計算方法見式（6）。

式中ti，ti-1為相鄰兩個測點的聲時值；zi，zi-1為相鄰兩個測點的深度值。

4 工程實例

4.1 儀器設備

檢測儀器設備采用武漢巖海公司制造的RS-ST06D（T）非金屬聲波檢測儀（編號JM018）、跨孔換能器Φ25等。檢測儀器設備現場連接如圖1所示。

圖1 基樁聲波透射法檢測示意圖

4.2 工程概況

本工程位于K0+460～K0+500段混凝土鉆孔灌注樁，設計樁長37.507～44.507m，樁徑為Φ1200mm，設計混凝土強度等級為C40，樁端持力層為中風化砂巖。

4.3 檢測方法

4.3.1 混凝土樁聲波傳播檢測方式

根據聲波換能器通道在樁身布置，采用樁跨孔傳播的檢測方法，樁聲波傳播檢測示意圖如圖2所示。

圖2 樁聲波傳播檢測示意圖

4.3.2 聲波管道鋪設要求

灌注樁中加設聲測管具有嚴格的要求，過少會導致檢測的有效范圍降低，甚至無法有效地判斷樁基質量，對工程帶來重大安全隱患；聲測管數量過多，盡管會提高檢測精度，但是這需要增加更多的經濟成本。此外，對于一根灌注樁來說，聲測管數量增加意味著樁內混凝土含量減少，這可能會導致設計承載力無法達到要求。《建筑基樁檢測技術規程》中規定了D＞2000mm時，應埋設4根聲測管。聲測管編號以正北方向順時針開始第一根管為A或1，并依次編號為A、B、C、D或者1、2、3、4，聲測管編號見圖3所示。

圖3 聲測管埋管分布示意圖

4.4 現場實測

所測試基樁樁徑1200mm，根據規范要求應埋設3根聲測管。聲測管編號分別為A，B，C點，聲測管按等邊三角形均勻布置（構成3個聲測剖面）。測量兩相鄰聲測管外壁間的距離，數據如下：A-B剖面測距730mm，B-C剖面測距730mm，A-C剖面測距730mm。

對QL1樁和QL2樁通過聲波透射法進行測試，本工程樁身質量檢測結果如表2所示。

通過表1各個參數可知：A-B，A-C，B-C剖面各個參數沒有發現異常，且三個剖面形均不存在畸變，因此，根據規范可以將QL1號樁評為I類樁。同理，通過表1可知：A-C、B-C剖面于0.2～0.4m處測點聲學參數異常，有輕微缺陷，樁身基本完整。根據規范將QL2號樁評為Ⅱ類樁。

表1 樁身質量完整性檢測結果表

5 結論

樁基礎是減少建筑物沉降的有效方法之一，鉆孔灌注樁樁身的質量直接影響工程的安全運營。聲波透射法是如今基礎工程中應用最廣泛的無損檢測技術之一，掌握聲波透射法的原理和使用對工程實際具有重要作用。本文通過對聲波透射法的理論闡述以及實際工程的運用，得出以下結論：

1.實測QL1樁為I類樁，QL2樁為II類樁。試驗結果真實有效，一定程度上避免了使用完整性不符合要求的樁，防止工程事故的發生。

2.在目前的無損檢測方法中，聲波透射法對于缺陷部位具有較高的敏感可靠性。特別是對于多個缺陷樁，可以在不相互影響的情況下，準確地獲得每個缺陷的位置及嚴重程度。