聲波透射法在大直徑灌注樁樁身完整性檢測中的應用

惠世瑀

（國投工程檢驗檢測有限公司，云南 昆明 650214）

0 引言

基礎樁是承擔建筑物荷載并傳遞到地基的重要結構，其完整性直接關系到工程的安全和質量。大直徑鉆孔灌注樁是一種常用的基礎樁，具有承載力高、沉降小、施工快等優點。但由于施工過程中可能出現的脫模、排氣不暢、混凝土密實度不足等原因，樁身可能存在裂縫、夾泥夾砂、空洞等缺陷，影響樁身的完整性和承載力。因此，對大直徑鉆孔灌注樁進行樁身完整性檢測，是保證工程質量和安全的重要措施。目前，常用的樁身完整性檢測方法主要有低應變反射波法、超聲波透射法和鉆孔取芯法等。這些方法各有所長，也有所短，本文結合工程實例，僅對聲波透射法在大直徑灌注樁樁身完整性檢測中的應用進行分析。

1 聲波透射法檢測原理

聲波透射法是一種利用聲波在樁身內部傳播的特性，來檢測樁身完整性的方法。聲波透射法的基本原理是：由超聲脈沖發射源在混凝土內激發高頻彈性脈沖波，并用高精度的接受系統記錄該脈沖波在混凝土內傳播過程中表現的波動特征。超聲波是彈性波的一種，傳播的規律服從彈性波規律。根據彈性波動方程可推導出混凝土介質中縱波VP、VS的傳播速度：

式中：

E——楊氏模量，Pa;

μ——泊松比；

ρ——介質密度,kg∕m3。

根據上述公式可以看出超聲波在不同介質里的傳播速度是不一樣的。當超聲波穿過樁身后，分析并計算出波速，根據波速的變化就可以了解樁身完整性的大致情況。如樁身沒有缺陷，波在樁身內的傳播速度應該是恒定的，與理論計算值相符；如果樁身有缺陷，那么波在樁身內的傳播速度就會發生變化，與理論計算值不符。超聲波穿過裂縫時，聲波能量會衰減，導致波速減小；超聲波穿過夾泥夾砂時，由于密度差異很大，聲波能量也會衰減，導致波速減小；超聲波穿過空洞時，就會發生散射、反射現象，導致波幅減小，波形產生畸變。因此，通過對波速變化或波形變化分析，就可以對樁身完整性作出相應的判斷[1]。根據此類異常的大小、形態，結合工程地質條件就能綜合判斷混凝土中缺陷的性質、位置、范圍大小及嚴重程度，提出相應處理措施。

2 聲波透射法現場檢測

超聲波透射法現場檢測需在樁內埋設聲測管（見圖1所示），超聲波儀主要包括聲波發射換能器、聲波接收換能器、采集儀及計算機。通過采集儀、計算機，采集并觀測聲波信號的時域、頻域特征。根據不同的觀測系統，可以采用平測法、斜測法、扇形掃測等方式，以判斷樁身是否有缺陷[2]。

圖1 聲測管埋設及波形示意圖

2.1 聲測管埋設

通過焊接或綁扎方式將聲測管固定在鋼筋籠內側，固定點間距一般不超過2m。保證聲測管的平行性、密封性，聲測管連接處應光滑過渡，上下口用堵頭密封，確保管內無異物，管身無破損。將聲測管、鋼筋籠一同下放到樁孔中，聲測管底部應與鋼筋籠底部保持齊平，聲測管口應高出樁頂100mm以上，且各聲測管口高度需一致。2.5m大直徑灌注樁一般需在樁內預埋至少4根聲測管，材質為無縫鋼管，外徑6cm，壁厚3.5mm，位于鋼筋籠內側，呈正方形對稱分布，保持平行。每根聲測管由多段鋼管組成，用外套管連接，確保管內無堵塞。連接處應處理成光滑面，避免聲波反射、衍射。聲測管下端應密封，防止混凝土進入；上端加塞子，防止水或雜物進入，管內注滿清水，作為聲波在樁身內傳播的耦合劑[3]。

2.2 換能器安裝

換能器為徑向柱狀，長20cm，頻率范圍25～50kHz，帶寬范圍5～50kHz。在各測點需將發射換能器、接收換能器置于聲測管中，且保持在同一水平面上，以保證聲波傳播方向[4]。各測點高程誤差不應超過2cm，測點間距為10cm。檢測過程中應隨時校正換能器水平位置，避免檢測偏差過大。

2.3 檢測操作流程

（1）檢測前，應先檢查儀器、電纜、發射器和接收器等設備是否完好無損，是否正常工作；

（2）將電纜分別連接到發射器和接收器上，并將電纜另一端連接到儀器上；

（3）將發射器和接收器通過深度標志分別置于對應聲測管中的測點處；

（4）調整儀器的參數，如發射頻率、接收范圍、增益、濾波等；

（5）啟動儀器，按下發射按鈕，發出聲波信號，并觀察信號的時程曲線，讀取聲時、首波峰值和周期值；

（6）如果波形清晰可見，且沒有明顯異常，則可以將換能器以相同標高或保持固定高差同步升降，測點間距不大于100mm，同時記錄并保存所有數據；如波形有明顯異常，則調整儀器參數或發射器和接收器位置，重新發射信號，并重復上述步驟；

（7）將多根聲測管以兩根為一個檢測剖面進行全組合，分別對所有檢測剖面完成檢測；

（8）在質量可疑的測點周圍，應采用加密測點，或采用斜測、扇形掃測進行復測，進一步確定樁身缺陷的位置和范圍；

（9）在同一檢測剖面的檢測過程中，聲波發射電壓和儀器設置參數保持不變；

（10）收拾設備，清理現場。

3 聲波透射法現場檢測實例分析

3.1 工程概況

某橋梁為高速公路工程重要節點，跨越河流，橋長約500m，橋寬約30m。橋梁采用連續剛構結構，共有5個橋墩，每個橋墩由4根大直徑灌注樁支撐，其大直徑灌注樁樁徑2.5m，樁長62m，樁材料為C30混凝土。為保證樁身的質量及安全性，采用聲波透射法檢測灌注樁樁身完整性，以判斷樁身是否存在缺陷，并定位缺陷位置和大小。

3.2 檢測過程

（1）在樁身成型，滿足檢測臨期后，將聲測管內注滿清水，作為聲波在樁身內傳播的耦合劑，同時防止雜物進入聲測管。

（2）檢測前先檢查儀器、電纜、發射器和接收器等設備是否完好無損，是否正常工作，將電纜一端連接到聲波發射器、接收器上，電纜另一端連接到儀器上，將聲波發射器、接收器通過深度標志分別置于對應聲測管中的測點處。

（3）調整儀器參數，如發射頻率、接收范圍、增益、濾波等；該工程采用的發射頻率為20kHz，接收范圍為0～100ms，增益為60dB，濾波為低通濾波。

（4）啟動儀器，按下發射按鈕，發出聲波信號，并觀察信號的時程曲線，讀取聲時、首波峰值和周期值。

（5）如波形清晰可見且無明顯異常，則可以將換能器以相同標高或保持固定高差同步升降，測點間距不大于100mm，同時記錄并保存所有數據，如波形有明顯異常，則調整儀器參數或發射器、接收器位置，重新發射信號，重復上述步驟。

（6）將多根聲測管以兩根為一個檢測剖面進行全組合，分別對所有檢測剖面完成檢測。

（7）數據分析。

3.3 檢測結果及分析

在采用聲波透射法對該大直徑灌注樁進行檢測時，記錄了每個檢測點的聲波信號波形，見圖2所示。為分析樁身完整性的情況，對每個測點的聲波信號進行時域、頻域處理，時域處理主要是計算聲波信號的到達時間和幅值，并根據公式v=L∕t得到聲速；頻域處理主要是計算聲波信號的功率譜密度（PSD），并繪制PSD曲線，將每個檢測點的聲速、聲幅和PSD曲線繪制在同一張圖中[5]。當檢測點的聲速、聲幅或PSD低于臨界值時，說明該處可能存在缺陷。通過對比各剖面同一處的檢測結果可以判斷出樁身是否有缺陷，并定位缺陷位置、大小[6]。

圖2 聲波透射法檢測結果

從圖2可知，各剖面同一處的聲速、聲幅都顯著低于臨界值，PSD曲線突變明顯，據此可斷定自樁頂向下5.7～6.9m范圍的樁身完整性存在缺陷。根據施工單位反饋，該大直徑灌注樁澆筑時，因工程器械運行故障，澆筑至距離樁頂約5m時被迫中斷2.5h，造成樁下部混凝土凝固，不能翻漿。

根據鉆孔取芯驗證芯樣結果為5.6～6.4m，芯樣粗骨料含量低，容易磨損，表面粗糙。開挖后觀察到，樁身內部有大量夾泥，樁周有很多泥沙滲入混凝土中。這些現象與聲波透射法的結果一致，說明聲波透射法能較好地反映樁身的缺陷信息。

4 結束語

綜上所述，聲波透射法是利用波在不同介質中的傳播速度不同來判斷樁身是否有缺陷的一種檢測方法，需要在樁內埋設聲測管，放入換能器，通過采集儀、計算機采集觀測聲波信號的時域、頻域特征，以判斷樁身是否有缺陷。樁身裂縫、夾泥夾砂和空洞等缺陷，會導致聲波信號的到達時間延遲、幅值衰減、波形畸變等現象。通過分析波速變化、波形變化可對樁身完整性進行評價。如發現異常需結合工程實際情況分析缺陷的性質、位置、范圍，提出相應的處理措施。總之，在本次大直徑灌注樁樁身完整性檢測中的實踐證明，聲波透射法是一種檢測基樁完整性的有效方法，值得在工程中深入應用，以保證工程質量。