基于低應變法和聲波透射法的基樁完整性檢測研究

汪應親

（福建省交通規劃設計院有限公司，福建福州 350007）

0 引言

隨著我國基礎設施建設步伐的加快，公路橋梁的建設規模也越來越大。基樁由于承載力高、沉降小、抗震能力強，在橋梁基樁中應用十分廣泛。但是基樁屬于隱蔽工程，施工質量不易控制，甚至部分施工單位偷工減料，容易出現斷樁、縮頸、混凝土裂縫、夾泥（雜物）、空洞等病害，影響橋梁結構整體安全性，存在較大的安全隱患。如果對病害處治不當，可能引發重大傷亡事故，造成不良的社會影響[1]。如何加強基樁質量控制，成為檢測單位需要解決的重要問題。低應變法和聲波透射法檢測都屬于無損檢測技術的范疇，可以精準地測出橋梁基樁的缺陷。因此，本文主要研究了低應變法和聲波透射法的檢測原理及其在公路橋梁基樁完整性檢測中的技術要點。

1 橋梁基樁完整性檢測原理

1.1 樁身完整性定義

樁身完整性是一個綜合指標，主要是用來衡量樁身截面尺寸相對變化、樁身混凝土密實程度、樁身混凝土連續性等。根據《公路工程基樁檢測技術規程》(JTG/T 3512—2020)，公路橋梁的基樁樁身完整性劃分四大類[2]，如表1 所示。

表1 公路橋梁基樁完整性分類

1.2 低應變法檢測基樁完整性原理

低應變法又稱錘擊法，屬于無損檢測技術，具有檢測速度快、費用低、檢測設備簡單等優點。低應變法可用于檢測樁身完整性，判斷樁身缺陷類型、位置等，其檢測理論是基于“一維彈性桿應力波波動理論”。低應變法檢測基樁完整性基本原理為：在基樁頂部錘擊檢測部位，給樁提供一定的能量，產生縱向彈性波。縱向彈性波會沿著基樁混凝土向下傳播，當彈性波傳至病害位置（在交界處阻抗有明顯變化）會產生反射波，反射信號會被安裝在樁頂的傳感器拾取。經檢測儀對反射波進行放大、濾波等處理后，即可計算出彈性波在基樁各部位的傳播速度，通過波速可判定基樁病害所在位置[3]。

對于完整性好的橋梁基樁，彈性波傳播速度Vp可按式（1）計算：

式（1）中：L為橋梁基樁長度，m；t為產生入射波至接收到反射信號耗費時間，s。

對于有缺陷的橋梁基樁，缺陷位置可按式（2）計算：

式（2）中：L0為橋梁基樁缺陷位置，m；t0為產生彈性波至接收到反射信號耗費時間，s；V0為多根合格樁的波速平均值，m/s。

1.3 聲波透射法檢測基樁完整性原理

聲波透射法基樁檢測是超聲波檢測的一個分支。相對于低應變法，聲波透射法檢測結果更加準確，不會受樁長、樁徑比的限制。但是，聲波透射法所使用的設備較昂貴，測試現場需施工單位提供水源。

聲波透射法檢測基樁完整性的基本原理為：基樁成孔后（灌注混凝土前），施工單位按設計圖紙要求在樁身內部預埋聲測管。在被檢樁混凝土強度不小于設計強度的70%且不小于15MPa、養護齡期不少于7d時對基樁完整性進行檢測。隨后對檢測數據進行處理、分析和判斷，以明確基樁是否存在缺陷及缺陷范圍，并判定出樁身完整性等級。

由上可知，聲波透射法是根據測量的聲速、聲幅、頻率等聲學參數的變化規律來推斷樁身完整性。不同聲學參數與樁身完整性的關系闡述如下。

1.3.1 聲速，如果聲波在傳播過程中遇到混凝土缺陷，要么繞過去，要么穿透過去，或者兩者兼而有之。不論哪種情況，聲波到達接收換能器的時間（初至時間）均比其在正常混凝土中的傳播時間長。在計算測點聲速時是基于換能器間直線距離，因此，樁身缺陷位置得到的聲速值偏低。

1.3.2 聲幅衰減，接收波波幅可用來表示聲波穿透樁身混凝土后的能量衰減程度。接收波波幅越小，則聲波能量衰減程度越大，反之亦然。由此可知，如果橋梁基樁樁身混凝土完整性差，存在明顯缺陷時，接收波波幅會大幅度下降。

1.3.3 聲波頻率，橋梁基樁完整性檢測用的聲波一般是復頻波，即一條波中含有多個頻率。復頻波穿透樁身缺陷位置后，不同頻率的波衰減幅度有所差異。相關研究表明，高頻波衰減要大于低頻波。

2 橋梁基樁完整性現場測試技術要點分析

橋梁基樁在檢測之前首先要收集被檢測項目的勘察資料、基樁設計圖紙、施工記錄、施工工藝等，并明確委托方的具體要求[4]。

2.1 低應變法檢測技術要點

2.1.1 樁頭處理，為了準確測定樁身混凝土的波形，被檢測基樁樁頂的混凝土質量應與樁身混凝土保持一致。公路橋梁基樁一般是采用灌注樁，很少采用預應力混凝土管樁，暫不考慮管樁的樁頭處置。對于鉆孔灌注樁，檢測前應鑿去樁頂的松散、破損混凝土，露出堅硬的混凝土表面。同時，將樁頂外露主筋切割掉，以免干擾正常波形。

2.1.2 檢測儀器，用于檢測基樁完整性的儀器性能指標不應低于現行《基樁動測儀》(JG/T 3055—1999）中所要求的2 級標準，且具有連續采集、快速存儲、顯示實測信號、處理信號等功能。實心樁和空心樁上的傳感器安裝點及激振錘擊點位置如圖1 所示。

圖1 傳感器安裝點及激振錘擊點位置

2.1.3 檢測位置，基樁施工完成后，沒有必要檢測所有的基樁，檢測單位應針對施工質量控制不嚴格的樁、設計方認為重要的樁、地質條件與勘察不符的樁、使用新工藝施工的樁等按一定的比例抽檢。需要注意，在檢測結果中如果發現Ⅲ、Ⅳ類樁數量之和超過抽檢基樁總根數的20%，為了保證基樁檢測質量需在未檢基樁中增加抽檢的比例。

2.1.4 檢測時間，采用低應變法和聲波透射法檢測基樁完整性時，被檢樁混凝土養護齡期不應少于7d。

2.1.5 力錘選擇，在低應變法中，力錘是能量源，型號選擇十分重要。橋梁基樁較長時，要求脈沖力持續時間長，這樣才能準確看到樁深部的反射波，此時建議使用較軟、較重、直徑較大的錘；橋梁基樁較短時，要求脈沖力持續時間短，要求力譜高頻成分豐富，建議使用較硬、較輕、直徑較小的錘[5]。本文推薦使用落錘或力棒進行檢測敲擊，使用時應避免二次沖擊，防止后續波的干擾。

2.2 聲波透射法檢測技術要點

聲波透射法的樁頭處理方法、檢測時間和檢測位置確定原則與低應變法保持一致，本節不再贅述。

2.2.1 檢測方式，聲波透射法檢測混凝土橋梁基樁主要有樁內跨孔透射法、樁內單孔透射法、樁外孔透射法等，其中樁內跨孔透射法成熟可靠，是最主要的檢測形式，其他兩種方法檢測可靠性較低，僅用于特殊場合。

2.2.2 聲測管選用，平面布置：聲測管是徑向換能器的通道，其埋設數量會直接影響基樁檢測面的個數和檢測結果的精確度。根據相關規范，基樁內聲測管埋設數量由樁徑大小決定，符合工作既細致又經濟的雙重要求。如圖2 所示：當樁徑小于1.0m 時，樁內布置2 個聲測管；當樁徑介于1.0～1.6m 之間時，樁內布置3 個聲測管；當樁徑介于1.6～2.5m 之間時，樁內布置4 個聲測管。為了便于復檢，聲測管應沿樁截面外側呈對稱形狀布置，檢測剖面按某一明確標示的方向順時針旋轉依次編號。

圖2 基樁聲測管平面布置

管材要求：基樁檢測使用的聲測管的強度和剛度應滿足設計要求，不可選擇劣質產品，以免混凝土灌注期間，聲測管出現變形，檢測探頭無法放入；同時，聲測管還要有較大的透聲率。

基樁檢測常用的聲測管有鋼管、鋼質波紋管、PVC 管等，其中鋼管便于安裝，可代替部分鋼筋截面，但價格相對較貴，常用于大直徑灌注樁；鋼質波紋管的管壁薄、抗滲性好、強度高，可直接綁扎在鋼筋籠主筋上，常用于中小直徑樁的聲波檢測通道；PVC 管聲阻抗率較低，常用于小直徑灌注樁。

內徑和壁厚要求：聲測管內徑建議比徑向換能器大10～20mm，管壁要在滿足設計剛度前提下薄一些。橋梁基樁檢測時常用的聲測管為2 英寸管，即外徑為60mm、內徑為53mm 的聲測管。

2.2.3 聲測管埋設，為了確保檢測方法有效，基樁內預埋的各個聲測管應盡量保持平行。主要原因在于：聲參數對測距的變化非常敏感，兩個聲測管不平行時，檢測人員可能把因測距變化所引起的聲學參數變化誤認為是混凝土質量不滿足要求所引起的，肯定會給基樁檢測數據的分析、結果判定帶來一定程度的干擾。即使在部分情況下，可通過對斜管測距進行修正來補救，但當聲測管嚴重彎曲時往往無法對測距進行合理的修正，使檢測失敗。因此，基樁聲測管的預埋質量（特別是平行度）應引起檢測人員的高度重視[6]。

2.2.4 標定測試系統延遲時間，標定測定系統延遲時間的方法是把發射、接收換能器平行放入清水中，逐次改變點源距離并測量相應聲時，記錄若干點的數據并作出時距曲線，按式（3）進行標定：

式（3）中：t為聲時，us；t0為時間軸上的截距，us；b為直線斜率，us/mm；l為換能器中心間距，mm。

3 橋梁基樁完整性檢測實例分析

3.1 工程概況

本文依托某高速公路橋梁項目，分析基樁完整性測試結果。該橋梁位于丘陵地帶，設計荷載為公路-I級，主線為雙向4 車道，橋面鋪裝層厚為10cm，地下水豐富，雨水較充足，年平均降雨量約為988mm，主要集中在7～10 月份。根據施工圖地勘資料，該橋梁位置覆蓋層厚度較大，約為5.5～8.6m，主要由淤泥、粉質黏土、白云質灰巖、砂巖等組成，初步擬定基樁按端承樁設計，以砂巖為持力層。研究對象編號為1#基樁，樁長為18m，樁徑為1.5m。

3.2 現場測試步驟

1#基樁的完整性檢測采用超聲波透射法，檢測儀器選擇RSM-SY7(E)基樁多跨孔超聲波自動遁測儀，具體檢測步驟如下：第一，采用平測法對基樁各個檢測剖面進行普查，找出聲學參數異常測點；第二，對聲學參數異常的測點用斜測法或扇形掃測法進行加密測試，既可以驗證第一階段的檢測結果，還能進一步細化檢測異常部位。

3.3 現場測試結果

1#基樁完整性檢測結果如圖3 所示。

圖3 1#基樁完整性檢測結果

由圖3 檢測結果可知：樁長與設計一致。以聲速為判據，樁在10.25m 和12.75m 處的波速低于聲速，判定值為3509m/s，判定這兩處可能存在一定的缺陷；以波幅為判據，樁身各位置的波幅均高于判據值83Db，無異常；以PSD 為判據時，PSD 曲線在10.25m 和12.75m 處存在突變。綜上所述，該樁在10.25m 和12.75m 處輕微縮頸，屬于Ⅱ類樁。

4 結論

本文研究了低應變法和聲波透射法的基樁檢測原理、檢測技術要點，并依托某高速公路橋梁項目，對檢測結果進行實踐檢驗和分析，主要得到以下結論：第一，低應變法檢測基樁是基于一維彈性桿應力波波動理論，聲波透射法是利用聲速、聲幅、頻率等聲學參數來推斷樁身完整性；第二，低應變法和聲波透射法檢測之前，要收集好被檢測項目的相關資料，明確檢測儀器指標、檢測時間、樁頭處理方法、力錘和聲測管型號等；第三，現場利用聲波透射法檢測基樁完整性時，可先用平測法，再用斜測法或扇形掃測法加密測試，將檢測結果相互對照。