声波透射法与反射波法在基桩检测中的应用

褚清顺

1 概述

随着我国基础建设的快速发展,众多基础工程采用大直径钻孔灌注桩。此类桩由于是在水下或在复杂地层钻孔和灌注混凝土,在施工过程中常遇到工程地质问题如地下水渗流、流砂层、淤泥层引起塌孔和缩孔等客观因素的影响,使桩容易产生离析、夹泥、断桩、缩颈、疏松不密实等桩身缺陷。因此对于基桩的检测十分必要。声波透射法和反射波法是两种常用的基桩检测方法。

2 声波透射法

2.1 声波透射法的原理

声波透射法是利用声波的透射原理,通过换能器在预埋声测管中发射、接收声波,得到实测声波在混凝土介质中传播的声时、波幅和频率等声学参数的相对变化,从而判断桩身完整性的一种检测方法。公路桥梁基桩工程属于隐蔽工程,处于桥梁质量控制的关键环节,由于无法通过直接观测来检测其质量,所以需要一些能对其长度、完整性、均匀性等方面进行检测的方法,而声波透射法正好具有许多其他方法不可比拟的优越性。

当桩身存在断裂、离析等缺陷时,破坏了混凝土介质的连续性,使声波的传播路径复杂化,声波将透过或绕过缺陷传播,其传播路径大于直线距离,引起声时的延长,而由此算出的波速将降低。另外,由于空气和水的声阻抗远小于混凝土的声阻抗,声波在混凝土中传播过程中遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷时,在缺陷界面发生反射和散射,声能衰减,因此接收信号的波幅明显降低,频率明显减小。再者,透过或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差,叠加后互相干扰,致使接收信号的波形发生畸变。综上所述,当桩身某一段存在缺陷时,接收到的声波信号会出现波速降低、振幅减小、波形畸变、接收信号主频发生变化等特征。

2.2 声波透射法基桩检测方法

声波透射法检测是采用水平同步测试法。即将发射与接收换能器通过深度标志分别置于两根声测管底部,这样可以附带检查基桩的长度,然后由桩底以相同标高同步提升,测点间距为200 mm。根据混凝土中声速、波幅的变化情况,即可对桩身混凝土的均质性及强度变化作出分析评价,发现局部低速异常就可以作为缺陷存在的标志。

按照超声波换能器通道在桩体中的不同的布置方式,超声波透射法基桩检测主要有三种方法:桩内单孔透射法,桩外孔透射法,桩内跨孔透射法。

2.3 声测管的原理

为了使换能器能达到检测部位,需预先埋设若干检测通道,因此,在采用超声检测时,必须在灌注混凝土前预埋声测管,混凝土硬化后无法抽出,该管道即成为桩的一部分,也是声通道的一部分,其影响接收信号的分析。而且它在桩的横截面上的布局,决定了检测的有效面积和探头提拉次数,所以声测管的预埋是影响检测方式和信号分析判断的基本问题。

3 反射波法

3.1 反射波法的原理

反射波法又称时域法,即在时间域上研究分析桩的振动曲线,通常是通过对桩的瞬态激振后,研究桩顶速度随时间的变化曲线,从而判断桩的质量。瞬态激振最简便的方法就是用手锤或力棒敲击桩顶,同时通过安装在桩顶的速度(或加速度)传感器,获得上述振动曲线。由于这种方法比较简便,成本低,所以在工程界中应用较广泛。

3.2 注意事项

3.2.1 桩头的处理

在现场信号采集工作中,桩头的处理是测试成功的第一关键,但在大多情况下,很多测试人员忽略了这一点。由于施工的原因,往往桩头部分有素混凝土,有些测试人员忽略了对桩头的处理,直接就在素混凝土上进行测试,结果无论怎么改变传感器以及传感器的安装,无论怎么改变振源,测试信号都不理想,往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲。一般情况下,桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止,而且要尽量平整、干净(桩头不要破碎、不要有杂物、不要有水);这可以通过随身携带凿子以凿平安装点和锤击点或委托施工方在测试前帮忙进行桩头处理,这样有利于传感器的安装和力棒的锤击。

3.2.2 传感器的安装

传感器的安装对现场信号的采集影响较大,理论上传感器越轻,越贴近桩面,与桩面之间接触刚度越大,传递特性越好,测试信号也越接近桩面的质点振动。对实心桩的测试,传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4半径处;对空心桩的测试,锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上,且与桩中心连线形成90°夹角,传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。传感器的安装必须通过耦合剂垂直与桩面粘结。下面介绍几种较常用的耦合剂:1)粘性好的黄油或凡士林:经济实用,但黄油较脏,凡士林较干净;2)粘性好弹性差的橡皮泥;3)牙膏:干净方便;4)口香糖:用口加工后使用。传感器是否安装好,可用手指轻弹传感器侧面,若传感器纹丝不动则说明已经安装好。有的测试人员为了测试简便,经常不用耦合剂或少用耦合剂,致使耦合剂的作用减少或消失,导致测试信号振荡很明显,不利于对基桩的分析判断,这样是不可取的。

3.2.3 击振点及击振方式的选择

击振信号的强弱对现场信号的采集同样影响较大,对实心桩的测试,击振点位置应选择在桩的中心;对空心桩的测试,锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上,且与桩中心连线形成90°夹角,击振点位置宜在桩壁厚的1/2处。对长大桩测试一般应当用力棒或大铁球击振,其重量大、能量大、脉冲宽、频率低、衰减小,适宜于桩底及深部缺陷的检测,桩底及深部缺陷的信号反射较强烈。但由此很容易带来浅层缺陷和微小缺陷的误判和漏判。当根据信号发现浅层部位异常时,建议用小钉锤或钢筋进行击振,因其重量小、能量小、脉冲窄、频率高,可较准确的确定浅层缺陷的程度和位置。经常有测试人员拿把小锤去测长大桩,并反映很难测到桩底反射。按以上的原理,这样的测法是不正确的。由于小锤重量小、能量小、脉冲窄、频率高、衰减快,因此信号在桩身中传播有可能未到桩底就衰减完或即使传到桩底反射回来的信号也很微弱极难分辨。由此可见,用小锤测长大桩,并想得到桩底反射,大多数情况下是很困难的。

3.2.4 传感器的影响

目前大多数测试人员在对基桩进行低应变反射波法测试时选用速度或加速度传感器。其中速度计在低频段的幅频特性和相频特性较差,在信号采集过程中,因击振激发其安装谐振频率,而产生寄生振荡,容易采集到具有振荡的波形曲线,对浅层缺陷反应不是很明显。同速度计相比,加速度计无论是在频响特性还是输出特性方面均具有巨大优势,并且它还具有高灵敏度的优点,因此用高灵敏度加速度计测试所采集到的波形曲线,没有振荡,缺陷反应明显。

4 结语

声波透射法检测基桩结果充分说明,使用该方法对大直径深长桩检测方法有效,准确度高,尤其适应重点工程单桩单柱的桩进行基础检测。而波反射法也具有以下优点,仪器设备轻便、检测速度快和费用低;具有静载荷试桩不具备的功能,可测桩身完整性;可区分破坏模式是土的破坏还是桩身结构的破坏;可对工程桩进行普查。具体方法的选用,还应参照工程中的实际情况认真加以分析。

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