超聲波透射法在公路橋梁基樁檢測中的運用研究

任梓綺REN Zi-qi

（貴州易才人力資源顧問有限公司，貴陽 550001）

0 引言

在公路橋梁基樁檢測過程中，超聲波透射法作為一種先進的檢測技術相比于傳統檢測方法具有一定優勢，在于能夠快速精準地確定基樁存在的缺陷，使得基樁的質量檢測過程更加便捷、檢測效率更高，精準度得到顯著提升[1]。希望通過本研究能夠為超聲波透射法在橋梁基樁檢測中更好地得到普及和規范應用提供幫助。

1 超聲波透射法概述

1.1 檢測原理

在橋梁基樁檢測過程中，超聲波透射法屬于常規超聲波檢測的一種，其通過超聲波的接收和發出，再按照其不同聲速、波幅和頻譜反映出被檢測物質的基本情況。在同一種介質中，縱波的波速比橫波的波速快1.63-1.87 倍，聲波透射檢測中，首先接收到縱波，將其稱之為初至波，然后接收到橫波，又稱為次波[2]。據劉屠梅等人在著作《基樁檢測技術與實例》一書中提到，聲波速度范圍是樁身混凝土強度的體現，根據彈塑介質中超聲波的波動理論，其應力波速vp的公式為[3]：

公式（1）中E 表示在聲波傳播過程中介質的動態彈性模量，這一彈性模量與介質之間的強度有密切關系。ρ表示能介質的密度，u 表示泊松比，對于混凝土，一般取0.2-0.3 之間。

根據超聲波在混凝土中傳播的聲時、聲速、波幅和衰減系數，混凝土質地不均勻或者存在缺陷，就會導致超聲波傳播過程中出現衰減、反射、繞射等基本情況，此時聲速、波幅、頻譜、聲時會產生變化，以此可反映出基樁存在的問題，混凝土強度與聲波速度關系如表1 所示。

表1 混凝土強度與聲波速度關系

1.2 檢測方法

1.2.1 平測法

平測法主要適用于發射器和接收換擋裝置處于相同高度下的檢測（圖1（a）），當需要對公路橋梁基樁進行垂直方向的缺陷判定時，可采用該方法，此時檢測中其發射和接收裝置相鄰檢測點上下差距不超過250mm，還能夠對這一高度進行調整，以獲得最佳的檢測位置。而采用該方法進行檢測時，無法反映基樁水平方向的質量情況，需要采用斜測法。

圖1 （a）平測（b）斜測（c）扇形掃測示意

1.2.2 斜測法

在斜測法檢測應用的過程中，其發射裝置和接收換能裝置之間的高度差較大，檢測過程中可結合檢測需求設定固定的高層差值，然后順著基樁移動以完成檢測（圖1（b））。然而在檢測過程中考慮到高程差的變化，會導致信號傳輸受到嚴重影響，使檢測結果產生較大誤差，出現結果失真情況。因此在檢測過程中對于高程差往往設置為固定值，這樣有利于檢測結果的穩定性，進而降低檢測誤差。

1.2.3 扇形掃描法

扇形掃測法是指在檢測的過程中發射器和接收換能裝置行程的超聲波為一個扇形狀態，此時將換能器固定在基樁的某一高度，然后移動超聲波發射器，超聲波就會與換能器之間形成扇形掃測結果，通過這一結果可完成對整個基樁的檢測（圖1（c））。

2 超聲波透射法在公路橋梁基樁檢測中的應用

2.1 工程概況

本項目工程公路橋梁屬于機動車和非機動車混合使用工作橋梁，橋梁總寬度為12.0m，混合車道8.0m，兩側各設計有2.0m 的人行道。橋梁跨徑設計為17.75m+22.0m+17.75m，共設計了8 根灌注樁，樁型均采用鉆孔灌注樁模式，樁的直徑設計為1300mm，樁長為22.0m，基樁混凝土強度設計為C30。

2.2 檢測方法

2.2.1 預埋聲測管

在正式實施檢測之前，最重要的一項工作就是在檢測之前預埋聲測管。在進行聲測管預埋的過程中選擇金屬管道，所選管管道厚度為3.0mm，且管道與管道之間通過螺紋連接。考慮到本橋梁基樁直徑為1300mm，聲測管需要預埋3 根。一般情況下，低于1m 的基樁直徑只需預埋2根，超過1.6m 的基樁則需要預埋4 根如圖2 所示。聲測管預埋時，將其與基樁的方向平行，垂直于地面綁扎在鋼筋籠內，且管口頂部超過基樁頂部的30cm。聲測管預埋完成之后對管進行疏通，然后采用潔凈物將兩端封閉，以待檢測。

圖2 預埋聲測管示意

2.2.2 檢測實施

首先，于所預埋的聲測管內安裝接收換能器，并將全部儀器進行實驗，確保儀器工作正常，檢測換能器的上升和下降性能，確保能正常工作。

其次，設置檢測參數，對換能器高度進行調節，使聲波發射和接收換能器之間處于同一標高或者高程差，同步上升和下降，控制檢測點間距不超過25cm、高程差不超過2cm。

最后，啟動檢測儀器，在聲波儀器上結合顯示出的聲波進行聲速、波形、波幅、主頻等基本參數的測量并保存。在完成各項測量之后，對數據進行重復試驗，以確保測量結果的準確性。在不同的測量結果中，相應的誤差范圍應控制在10%到20%。對于重復試驗所測量到的聲時相對標準差應控制在5%，頻率相對標準差應控制在10%。

本工程單個基樁設計3 根聲測管，需檢測3 個剖面，在完成了一個剖面檢測和數據記錄之后，再按照上述步驟進行另兩個剖面的檢測。

2.3 判定標準

完成檢測后，結合檢測結果對聲時、聲速、波幅進行判斷，將聲波測量結果和聲速波形圖進行結合，以準確評估被檢測基樁的結構性能和完整性。

①如果檢測結果顯示相應檢測剖面的超聲參數處于無異常狀態，檢測的聲速未出現低于限值的異常情況，則表現為安裝基樁為I 類完整；

②如果檢測結果顯示相應剖面出現了個別檢測點聲學參數異常，但未出現聲速低于現值的異常情況則判定為II 類完整；

③若檢測結果中顯示剖面出現了多個連續的檢測點聲學參數異常情況，而在相應檢測剖面也有2 個及以上的檢測點出現了同一深度的聲學參數異常情況，則判定為III 類完整；

④如果檢測結果顯示檢測剖面出現了聲速低于限值的異常情況，或者檢測過程中出現了聲波信號的接收異常或者嚴重畸形，則應判定為IV 類完整。

當然為了進一步分析不同類的基樁完整性異常情況，可結合檢測參數的異常情況按照表2 進行一一對應。

表2 聲波參數異常與基樁質量缺陷的對應關系

2.4 檢查結果

本工程公路基樁按照上述方法檢測后獲得檢測結果，進行基樁完整性判定顯示本工程1#、2#、3#、4#、6#、7#、8#7 根樁的基樁完整性正常，其檢測結果中的各基樁聲時、聲速、波幅參數如表3 所示，其波速都大于4km/s，波幅值在100dB 左右，PSD 值均與0 很接近。而本次檢測中顯示5#基樁在聲時、聲速、波幅方面超聲參數異常，基于這一檢測結果再次對5#基樁進行密碼探測，顯示在該基樁的0.75m 處出現了波形變化，結合上述檢測結果和判定標準，確定5#基樁在樁體完整性方面為II 級。

表3 1#、2#、3#、4#、6#、7#、8# 7 根基樁超聲檢測超聲結果

3 基于聲波參數的質量缺陷分析

按照上述聲波參數及所展示出的5#基樁聲波檢測曲線，顯示在5#基樁第2 根深側管處出現了波幅異常如圖3、圖4、圖5 所示。基于聲波參數和質量缺陷的對應關系進行分析，考慮在5#基樁第2 根聲測管0.75 處出現了鋼筋外露。選擇波形畸變處進行開挖，驗證了上述缺陷分析，即在應用超聲波透射法進行基樁完整性檢測的過程中出現了波形畸變、波形手波起跳點難以確認情況，可認為相應部位出現了漏筋。漏筋在混凝土基樁建設過程中較為常見，出現漏筋之后會導致檢測時相應波速是臨界波速的87%～95%，而波幅則是臨界波幅的66%～86%。檢測中聲測管固定于鋼筋籠，在鋼筋出現外漏之后會導致聲測管出現臨空面，此時檢測到的超聲波能量就會低于臨界值，表現為波形畸變。

圖3 波形——深度曲線

圖4 波幅——深度曲線

圖5 5# 基樁0.75m 深度信號放大圖

4 結論

超聲波透射法應用于橋梁基樁完整性檢測中具有一定優勢，本研究了總結超聲波透射法的應用原理，概述平測、斜測和扇形掃描三種檢測方法，結合實際案例應用超聲波透射法對基樁進行完整性檢測，基于超聲波的聲學參數和波形圖像分析，顯示被檢測基裝中有5#基樁異常，進一步結合波形畸變情況分析基裝缺陷原因，表現為漏筋缺陷，檢測結果與實踐一致。這一結果表明采用超聲波透射法進行橋梁基樁的完整性檢測，能夠準確地發現基樁缺陷，其實踐意義顯著。