超声检测法在桩基检测中的应用

李洪东,张洪亮,王海军

(1.黑龙江科技学院 建筑工程学院,哈尔滨 150027;2.黑龙江公路勘察设计院,哈尔滨,150090)

2008年5月,黑龙江省委、省政府提出用3 a多时间,投资1 100亿元,建设高速公路3 042 km,一、二级公路3 352 km,农村公路60 799 km。要求对所有的桩基都进行检测,超声法检测灌注桩混凝土质量是近几十多年来发展起来的一种检测方法,它具有如下优点:①检测细致,结果准确可靠;②不受桩长桩径限制;③无盲区,声测管埋到什么部位就检测到什么部位,包括桩顶低强度区和桩底沉渣厚度;④无需桩顶露出地面即可检测,方便施工;⑤估算混凝土强度。该方法需要预埋声测管,费用较高,但是仍然得到广泛的应用,尤其是桥梁、高层建筑的大型特大型灌注桩的检测[1]。

1 声波检测原理简介

声波检测一般是以人为激励的方式向介质(被测对象)发射声波,在一定距离上接收经介质物理特性调制的声波(反射波、透射波、散射波)。通过观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波形的变化,对被测对象的宏观缺陷、几何特征、组织结构、力学性质进行推断和表征,声波透射法则是以穿透介质的透射声波为测试和研究对象的。

混凝土灌注桩的声波透射法检测是在结构混凝土声学检测技术基础上发展起来的。至20世纪70年代,声波透射法开始用于检测混凝土灌注桩的完整性。其基本方法是:基桩成孔后,在混凝土灌注之前,在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的通道。在桩身混凝土灌注若干天后开始检测,用声波检测仪沿桩的纵轴方向逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数,然后对这些检测数据进行处理、分析、判断,确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度,从而推断桩身混凝土的连续性、完整性、均匀性状况,评定桩身完整性等级。

目前,对混凝土灌注桩的完整性检测,主要有:钻芯法,高、低应变动测法,声波透射法等4种方法[2],与其它3种方法比较,声波透射法有其鲜明的特点,现场操作简便、迅速,不受桩长、长径比的限制,一般也不受场地限制。

声波透射法以其鲜明的技术特点成为目前混凝土灌注桩(尤其是大直径灌注桩)完整性检测的重要手段,在工业与民用建筑、水电、铁路、港口等工程建设的多个领域得到了广泛应用[3]。

2 检测前的准备

首先保证超声仪在正常的工作状态,定期和日常对仪器进行检验,保证电量充足。声测管之间应保持平行,否则会对测试结果造成很大影响,甚至导致检测方法失效。声测管两两组合形成的每一个检测剖面,沿桩长方向具有许多个测点(测点间距≤250 mm),以桩顶面两声测管之间内边缘的距离作为该剖面所有测点的测距,在两声测管相互平行的条件下,这样处理是可行的。当两声测管不平行时,在实测过程中,检测人员往往把因测距的变化导致的声学参数的变化误认为是混凝土质量差别所致,而声测管参数对测距的变化都很敏感,这必将给检测数据的分析、结果的判定带来严重影响。虽然在有些情况下,可对斜管测距进行修正,作为一种补救办法。但当声测管严重弯折翘曲时,往往无法对测距进行合理的修正,导致检测方法失效。调查、收集待检工程及受检桩的相关技术资料和施工记录,比如桩的类型、尺寸、标高、施工工艺、地质状况、设计参数、桩身混凝土参数、施工过程及异常情况记录等信息。向管内注入清水,封口待检。在放置换能器前,先用直径与换能器略同的圆钢作吊绳,检查声测管的通畅情况,以免换能器卡住后取不上来或换能器电缆被拉断,造成损失。有时,对局部漏浆或焊渣造成的阻塞可用钢筋导通。用钢卷尺测量桩顶面各声测管之间外壁净距离,作为相应的两声测管组成的检测剖面各测点测距,测试误差＜1%[3]。

3 应用实例

所测齐甘线上某大桥桩直径为1.2 m,龄期14 d,混凝土的标号C30。超声仪的型号为 RSST01D(P)。

1)桩的编号0A-1,图1～图3所示为3个剖面的检测超声声速-波幅图。

由图1～图3可见,检测的波速较高,平均波速4.5 km/s左右,没有特别突出的向下拐点,都是在最低值虚线以上,强度高;声测管基本平行,用波列影像图(图4)进行对照,影像图连续,比较清晰。从桩身的完整性上可以判定为Ⅰ类桩[3]。

2)桩的编号0B-1,图5～图7所示为3个剖面的检测超声声速-波幅图。

由图5～图7中可见,检测的波速较高,平均波速4.5 km/s左右,强度高;声测管基本平行,从右侧的绿色垂直虚线向右声速和波幅急剧下降,此处的位置大约是17 m深,说明桩底有沉渣,沉渣的深度为0.5～1.0 m。用波列影像图(图8)进行对照,影像图连续,比较清晰,但是桩底有0.5 m左右比较模糊。如果不是桩底的沉渣,那么这根桩的质量应该很不错。从桩身的完整性上看为较完整,可以判定为Ⅱ类桩[4]。

4 结 语

1)在灌注桩的声波透射法检测中,如何利用所检测的混凝土声波参数去发现桩身混凝土缺陷、评价桩身混凝土质量从而判定桩的完整性类别是我们检测的最终目的,同时又是声学检测中的一个难题。其原因:①因为混凝土作为一种多种材料的集结体,声波在其中的传播过程是一个相当复杂的物理过程;②混凝土灌注桩的施工工艺复杂、难度大,混凝土的硬化环境和条件以及影响混凝土质量的其它各种因素远比上部结构复杂和难以预见,因此桩身混凝土质量的离散性和不确定性明显高于上部结构混凝土。另外,从测试角度看,在桩内进行声测时,各测点的测距及声耦合状况的不确定性也高于上部结构混凝土的声学测试,一般情况下桩的声测测量误差高于上部结构混凝土。在施工的过程中也要做到精益求精,不要因为一点的缺陷,也就是空底的沉渣而影响工程的质量。

2)用于判断桩身混凝土缺陷的多个声学参数——声速、PSD判据、波幅、主频、实测波形,它们各有特点,但均有不足,在实际应用时,既不能唯“声速论”,也不能不分主次将各种判据同等对待。声速与混凝土的弹性性质相关,波幅与混凝土的黏塑性相关,采用以声速、波幅判据为主的综合判定性对全面反映混凝土这种黏弹塑性材料的质量是合理的、科学的处理方法。

相对于其它判据来说声速的测试值是最稳定的、可靠性也最高,而且测试值是有明确物理意义的量,与混凝土强度有一定的相关性,是进行综合判定的主要参数,波幅的测试值是一个相对比较量,本身没有明确的物理意义,其测试值受许多非缺陷因素的影响,测试值没有声速稳定,但它对桩身混凝土缺陷很敏感,是进行综合判定的另一重要参数。

综合分析往往贯彻于检测过程的始终,先使用声速低限值法,再使用概率法,因为检测过程中本身就包含了综合分析的内容(例如对平测普查结果进行综合分析找出异常测点进行细测),而不是说在现场检测完成后才进行综合分析。

[1] 罗骐先.基础工程检测手册:第二版[K].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 张惠平,杨 涛.提高桩基检测可靠性的探讨[J].黑龙江水专学报,2005,32(3):32-33.

[3] JTG F81-01-2004,建筑基桩检测技术规范[S].

[4] JGJ 106-2003,公路工程基桩动测技术规程[S].