聲波透射法檢測鉆孔灌注樁基樁完整性檢測技術(shù)初探分析研究 論文

聲波透射法檢測鉆孔灌注樁基樁完整性檢測技術(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，因此加強對樁基礎(chǔ)質(zhì)量的現(xiàn)場檢測十分必要。為此，近年來國家先后出臺了《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2003）和《公路工程基樁動測技術(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)場質(zhì)量檢測工作。

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

①檢測全面、細(xì)致，檢測范圍可覆蓋整個樁長的各個斷面，無檢測“盲區(qū)”；

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

③不受樁長、樁徑的限制，也不受場地的限制。

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

2、檢測原理

如圖1所示，首先在被測樁內(nèi)預(yù)埋兩根或兩根以上豎向相互平行的聲測管作為檢測通道，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管中，由超聲儀激勵發(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、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，來檢測樁身是否存在缺陷。圖1關(guān)于聲波透射法檢測基樁完整性的現(xiàn)場測試方法及常規(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)用超聲脈沖檢測技術(shù)及非金屬超聲檢測分析儀的研制經(jīng)歷和體會，對聲波透射法的檢測、缺陷判定及檢測現(xiàn)場常見的問題，進(jìn)行一些總結(jié)：

二、聲波透射法的檢測及缺陷判定

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

換能器同步平測測試速度快、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，因此尤其是對于缺陷范圍及其嚴(yán)重程度進(jìn)行判定時，應(yīng)至少結(jié)合斜測、扇形測試中的一種方法。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)計樁徑1.5m、設(shè)計樁長49.5m、預(yù)埋4根聲測管，采用聲波透射法平測法測試、測點間距0.25m，其中1-2、1-3、1-4剖面在13.2～14米處同時出現(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號聲測管所在的方位，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，測點間距為10cm，斜測結(jié)果如圖3所示，通過每一剖面、每一方向斜測的數(shù)據(jù)，確定其斜測的各個聲參量異常的測線，各剖面的異常測線的包絡(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測距，因此該缺陷是靠近1號聲測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共四個類別；并依據(jù)各檢測剖面的聲學(xué)參數(shù)異常點的分布情況及異常點的偏離程度，決定被測樁的完整性類別；對實際的檢測數(shù)據(jù)，采用概率法確定聲速臨界值來評判聲速是否異常，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），因此其檢測的聲參量數(shù)據(jù)波動較大；加上灌注樁的混凝土需要自密實、地質(zhì)條件以及成樁工藝復(fù)雜等情況，其聲參量的波動性就更大了，因此在實際測試的過程中完全不出現(xiàn)異常測點的可能性較小，因此不能機械地理解并執(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只是可能的缺陷點，應(yīng)根據(jù)以下五個方面進(jìn)行綜合判定：①異常點的實測聲速與正常混凝土聲速的偏離程度；

②異常點的實測幅度與同一剖面內(nèi)正?；炷练鹊钠x程度；

③異常點的波形與正常混凝土的波形相比的畸變程度；

④異常點的分布范圍及其他剖面異常點的分布情況；

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該樁是否達(dá)到設(shè)計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)之間的良好對應(yīng)關(guān)系，僅結(jié)合結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)混凝土檢測或試驗的工作給出如下體會，供大家參考：

①對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比正?；炷恋蜕踔疗撸暡ń?jīng)過的界面明顯增多，導(dǎo)致幅度下降。相反對于骨料少而砂漿多的低強區(qū)，其波速偏低，但幅度基本不變甚至偏高。

②對于因坍塌形成的縮徑、夾泥（砂）缺陷，導(dǎo)致該處的聲速、幅度較正常混凝土均有明顯的下降，因缺陷介質(zhì)的聲速低于混凝土、衰減系數(shù)高于混凝土，可通過斜測或扇測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、強度較低，因灌注樁澆筑工藝會導(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上述浮漿未排除會造成波速、幅度及強度降低。

⑤若導(dǎo)管提升不當(dāng)，或施工故障導(dǎo)致停留時間過長，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、檢測現(xiàn)場常見問題或故障的判斷及處理

1、檢測過程中接收信號突然消失

有兩種原因可產(chǎn)生該類現(xiàn)象，一是聲測管內(nèi)無水；二是設(shè)備系統(tǒng)故障。首先應(yīng)檢查是聲測管內(nèi)否有水，可在采樣狀態(tài)下，迅速往聲測管注水（以防聲測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，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，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、接收時好時壞

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

4、樁頭最后一測點聲速、幅度急劇下降

一些樁在樁頭部位的最后一個或幾個測點的聲參量急劇下降，而樁頭部位混凝土表現(xiàn)良好。該現(xiàn)象可能是剔除樁頭（使用機械設(shè)備）時，引起聲測管與混凝土脫離（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?。蝗粢韵绿ㄗ鳛槭撞?，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)在換能器運動過程中進(jìn)行采樣并存儲的測試中（自動測樁），造成上述現(xiàn)象的理論機理不十分清楚，可能是換能器運動過程中，輻射體的部分