聲波透射法檢測(cè)鉆孔灌注樁基樁完整性檢測(cè)技術(shù)初探分析研究 論文

聲波透射法檢測(cè)鉆孔灌注樁基樁完整性檢測(cè)技術(shù)初探一、概述

1、前言

混凝土灌注樁是樁基礎(chǔ)中的主要形式，由于其成樁質(zhì)量受地質(zhì)條件、成樁工藝、機(jī)械設(shè)備、施工人員、管理水平等諸多因素的影響，較易產(chǎn)生夾泥、斷裂、縮頸、混凝土離析、樁底沉渣較厚及樁頂混凝土密實(shí)度較差等質(zhì)量缺陷，危及主體結(jié)構(gòu)的正常使用與安全，甚至引發(fā)工程質(zhì)量事故，加上是隱蔽工程，因此加強(qiáng)對(duì)樁基礎(chǔ)質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)十分必要。為此，近年來國(guó)家先后出臺(tái)了《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2003）和《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/TF81-01-2004)，進(jìn)一步明確要求、規(guī)范基樁工程的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)工作。

基樁完整性的檢測(cè)方法主要有：鉆芯法、高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法、低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法、聲波透射法，與其他方法相比，聲波透射法有其特點(diǎn)：

①檢測(cè)全面、細(xì)致，檢測(cè)范圍可覆蓋整個(gè)樁長(zhǎng)的各個(gè)斷面，無檢測(cè)“盲區(qū)”；

②檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，全樁長(zhǎng)的斷面掃描檢測(cè)，加上短距離時(shí)聲波對(duì)較小范圍的缺陷也較為敏感，可以較為準(zhǔn)確測(cè)定各缺陷在深度方向的準(zhǔn)確位置和范圍、徑向的范圍，便于分析及對(duì)缺陷的處理；

③不受樁長(zhǎng)、樁徑的限制，也不受場(chǎng)地的限制。

④檢測(cè)較為快捷、方便。因此該方法已成為大直徑、長(zhǎng)樁長(zhǎng)的混凝土灌注樁完整性檢測(cè)的重要手段，《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/TF81-01-2004)也專門規(guī)定“對(duì)重要工程的鉆孔灌注樁，采用超聲波透射法檢測(cè)的樁數(shù)不應(yīng)少于50％”。

2、檢測(cè)原理

如圖1所示，首先在被測(cè)樁內(nèi)預(yù)埋兩根或兩根以上豎向相互平行的聲測(cè)管作為檢測(cè)通道，管中注滿清水作為耦合劑，將超聲脈沖發(fā)射換能器與接收換能器置于聲測(cè)管中，由超聲儀激勵(lì)發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲脈沖，穿過樁體混凝土，并經(jīng)接收換能器，由儀器接收并顯示接收的超聲波的波形，判讀出超聲波穿過混凝土后的首波聲時(shí)、波幅以及接收波主頻等聲參數(shù)，通過樁身缺陷引起聲參數(shù)或波形的變化，來檢測(cè)樁身是否存在缺陷。圖1關(guān)于聲波透射法檢測(cè)基樁完整性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法及常規(guī)的數(shù)據(jù)處理，已在相關(guān)規(guī)范及其它書籍中有較為詳盡的闡述，不再詳述，僅結(jié)合筆者近年來在工程中應(yīng)用超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)及非金屬超聲檢測(cè)分析儀的研制經(jīng)歷和體會(huì)，對(duì)聲波透射法的檢測(cè)、缺陷判定及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)常見的問題，進(jìn)行一些總結(jié)：

二、聲波透射法的檢測(cè)及缺陷判定

1、對(duì)于缺陷程度及范圍的判定需要結(jié)合平測(cè)、斜測(cè)或扇形測(cè)試的多種測(cè)試方法綜合測(cè)定

換能器同步平測(cè)測(cè)試速度快、效率高，可作為是否存在缺陷的初步判斷依據(jù)；但僅依據(jù)平測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性判定，其準(zhǔn)確性降低，因此尤其是對(duì)于缺陷范圍及其嚴(yán)重程度進(jìn)行判定時(shí)，應(yīng)至少結(jié)合斜測(cè)、扇形測(cè)試中的一種方法。例如：某工程2l－1#基樁為采用鉆孔、反循環(huán)工藝施工的灌注混凝土摩擦樁，設(shè)計(jì)樁徑1.5m、設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)49.5m、預(yù)埋4根聲測(cè)管，采用聲波透射法平測(cè)法測(cè)試、測(cè)點(diǎn)間距0.25m，其中1-2、1-3、1-4剖面在13.2～14米處同時(shí)出現(xiàn)聲參量異常（如圖2所示），異常范圍的波速比平均波速下降15%、幅度比平均幅度下降30dB，而其他剖面在此位置無明顯異常，初步判斷該樁在13～14米處存在異常（缺陷），且缺陷區(qū)在1號(hào)聲測(cè)管所在的方位，但無法判定缺陷范圍，進(jìn)而將其歸入Ⅱ類還是Ⅲ類樁。為確定缺陷的嚴(yán)重程度和范圍，在1-2、1-3、1-4剖面，從9～19m的范圍內(nèi)，分別作收、發(fā)換能器約45o傾斜的雙向斜測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距為10cm，斜測(cè)結(jié)果如圖3所示，通過每一剖面、每一方向斜測(cè)的數(shù)據(jù)，確定其斜測(cè)的各個(gè)聲參量異常的測(cè)線，各剖面的異常測(cè)線的包絡(luò)范圍如圖上陰影部分所示，可以看出1-3、1-2、1-4剖面的徑向缺陷尺寸依次增大，且1-3、1-2剖面未超過1/2測(cè)距，因此該缺陷是靠近1號(hào)聲測(cè)管方向的縮徑類缺陷；從缺陷范圍上看縱向尺寸在0.8m左右、徑向尺寸小于樁徑的四分之一，從缺陷區(qū)聲參量及波形上看聲參量幅度不太大、且波形基本完整，因此將此缺陷判定為輕微缺陷，該樁判為Ⅱ類樁。

圖2

圖32、應(yīng)正確理解并處理相關(guān)規(guī)范中關(guān)于樁身完整性的判定

基樁檢測(cè)的相關(guān)規(guī)范中，根據(jù)樁身是否存在缺陷及存在缺陷的嚴(yán)重程度，將樁的完整性分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四個(gè)類別；并依據(jù)各檢測(cè)剖面的聲學(xué)參數(shù)異常點(diǎn)的分布情況及異常點(diǎn)的偏離程度，決定被測(cè)樁的完整性類別；對(duì)實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用概率法確定聲速臨界值來評(píng)判聲速是否異常，采用平均幅度減去6dB作為幅度臨界值來評(píng)判幅度是否異常。

但由于混凝土是集結(jié)型的復(fù)合材料，多相復(fù)合體系，分布復(fù)雜界面（骨料、氣泡、各種缺陷），因此其檢測(cè)的聲參量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大；加上灌注樁的混凝土需要自密實(shí)、地質(zhì)條件以及成樁工藝復(fù)雜等情況，其聲參量的波動(dòng)性就更大了，因此在實(shí)際測(cè)試的過程中完全不出現(xiàn)異常測(cè)點(diǎn)的可能性較小，因此不能機(jī)械地理解并執(zhí)行規(guī)范中樁身完整性的判定標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范對(duì)聲參量異常判斷均采用“可判斷”），否則工程上很難有Ⅰ類樁，也不符合樁的完整性分類的定義。因此上述理論異常點(diǎn)只是可能的缺陷點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)以下五個(gè)方面進(jìn)行綜合判定：①異常點(diǎn)的實(shí)測(cè)聲速與正常混凝土聲速的偏離程度；

②異常點(diǎn)的實(shí)測(cè)幅度與同一剖面內(nèi)正?；炷练鹊钠x程度；

③異常點(diǎn)的波形與正?；炷恋牟ㄐ蜗啾鹊幕兂潭龋?/p>

④異常點(diǎn)的分布范圍及其他剖面異常點(diǎn)的分布情況；

⑤樁的類型（摩擦型或端承型）、地質(zhì)情況及成樁工藝，樁的類型及地質(zhì)情況決定了樁身混凝土的壓應(yīng)力及彎矩大小隨深度的變化規(guī)律，因此相同大小及程度的缺陷在樁身不同深度對(duì)該樁是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的影響程度差別較大，應(yīng)適當(dāng)加以區(qū)分。

3、聲學(xué)參量與缺陷性質(zhì)的關(guān)系

混凝土內(nèi)部存在缺陷必然會(huì)引起聲參量的變化或波形畸變，但目前并未建立聲參量的變化或波形畸變與缺陷性質(zhì)之間的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系，僅結(jié)合結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)混凝土檢測(cè)或試驗(yàn)的工作給出如下體會(huì)，供大家參考：

①對(duì)于因混凝土離析造成的骨料堆積、砂漿少的缺陷，由于骨料聲速高于砂漿，因此該缺陷處的聲速基本不會(huì)比正?；炷恋蜕踔疗?，但聲波經(jīng)過的界面明顯增多，導(dǎo)致幅度下降。相反對(duì)于骨料少而砂漿多的低強(qiáng)區(qū)，其波速偏低，但幅度基本不變甚至偏高。

②對(duì)于因坍塌形成的縮徑、夾泥（砂）缺陷，導(dǎo)致該處的聲速、幅度較正?；炷辆忻黠@的下降，因缺陷介質(zhì)的聲速低于混凝土、衰減系數(shù)高于混凝土，可通過斜測(cè)或扇測(cè)確定缺陷的徑向尺寸范圍及位置，確定其縮徑、夾泥（砂）的位置及范圍。

③

樁底一段深度范圍內(nèi)的波速和幅度的明顯下降表明樁底存在一定厚度的沉渣，因清孔未徹底遺留的成孔過程中的地層松散體，成分復(fù)雜、波速低、衰減大。

④樁頭部分波速和幅度明顯、緩慢下降一般表明該范圍內(nèi)浮漿過多、強(qiáng)度較低，因灌注樁澆筑工藝會(huì)導(dǎo)致在澆筑過程中上部骨料較少、浮漿及氣泡較多，若澆筑到樁頭部位時(shí)上述浮漿未排除會(huì)造成波速、幅度及強(qiáng)度降低。

⑤若導(dǎo)管提升不當(dāng)，或施工故障導(dǎo)致停留時(shí)間過長(zhǎng)，拔管清理不凈、二次澆筑，形成斷樁，造成聲速和幅度的急劇下降、波形嚴(yán)重畸變或無接收波形，且所有剖面的大致相同的深度范圍均存在上述異常情況。

對(duì)于缺陷的性質(zhì)除根據(jù)聲參量的變化情況外，還必須結(jié)合地勘報(bào)告、施工工藝、甚至施工記錄（參考）綜合分析，進(jìn)行判斷。三、檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)常見問題或故障的判斷及處理

1、檢測(cè)過程中接收信號(hào)突然消失

有兩種原因可產(chǎn)生該類現(xiàn)象，一是聲測(cè)管內(nèi)無水；二是設(shè)備系統(tǒng)故障。首先應(yīng)檢查是聲測(cè)管內(nèi)否有水，可在采樣狀態(tài)下，迅速往聲測(cè)管注水（以防聲測(cè)管破裂造成的水大量外流），至現(xiàn)象消除，否則，將換能器提出聲測(cè)管，平行靠近（5cm左右）放在空氣中，采樣、觀察是否有接收波形，無接收波形，則設(shè)備系統(tǒng)故障。

2、判斷設(shè)備系統(tǒng)的故障部位

將故障的設(shè)備換上平面換能器，將平面換能器的輻射面平行相對(duì)，相距5cm左右，進(jìn)行采樣，如波形正常，證明超聲儀正常，僅僅是徑向換能器故障。若判斷換能器故障時(shí)，接上徑向換能器，進(jìn)行采樣，如發(fā)射換能器發(fā)出響聲、無接收波形，則接收換能器故障；如發(fā)射換能器無響聲，僅將發(fā)射換能器更換成平面換能器，將平面換能器的輻射面對(duì)準(zhǔn)徑向換能器的輻射體（中間部位），進(jìn)行采樣，如有波形，則接收換能器完好、發(fā)射換能器故障，否則，收、發(fā)徑向換能器均有故障。

3、發(fā)射正常、接收時(shí)好時(shí)壞

換能器剛下水測(cè)試時(shí)波形正常，一會(huì)兒波形逐漸異常，甚至無接收波形，提出聲測(cè)管后波形正常，或提出聲測(cè)管、待換能器干燥后波形正常。該現(xiàn)象是由于換能器信號(hào)線破損（漏水）、水密性喪失、遇水壓大時(shí)滲透到換能器主體造成，換能器故障，修復(fù)較為困難。

4、樁頭最后一測(cè)點(diǎn)聲速、幅度急劇下降

一些樁在樁頭部位的最后一個(gè)或幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲參量急劇下降，而樁頭部位混凝土表現(xiàn)良好。該現(xiàn)象可能是剔除樁頭（使用機(jī)械設(shè)備）時(shí)，引起聲測(cè)管與混凝土脫離（產(chǎn)生間隙）或者混凝土局部破損（產(chǎn)生裂隙）而造成，可在聲測(cè)管外壁或樁頭混凝土澆清水，該現(xiàn)象好轉(zhuǎn)。

5、波形反向及處理

在測(cè)試的過程出現(xiàn)波形首波反向的情況，如圖4所示，其中圖4下為正常波形（首波向下）、圖4上為反向波形（首波向上）。從反向波形中可以看出，若以上跳波作為首波，則聲速正常、但幅度偏??；若以下跳波作為首波，則幅度正常、聲速偏小，因此應(yīng)盡量避免上述情況的發(fā)生。上述情況多出現(xiàn)在換能器運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)的測(cè)試中（自動(dòng)測(cè)樁），造成上述現(xiàn)象的理論機(jī)理不十分清楚，可能是換能器運(yùn)動(dòng)過程中，輻射體的部分