声波透射法在灌注基桩完整性检测中的应用研究

郑明燕，孙洋波

(1.中国地质大学，武汉 430074;2.上海港湾工程质量监测有限公司，上海 200000)

目前对混凝土灌注桩的检测主要从两个方面进行，一是桩的承载力;二是桩身完整性。一般在设计无误的前提下，如果桩身完整性达到要求，桩的承载力一般都能达到要求，而承载力合格的桩，其完整性不一定能满足要求。因此，对于混凝土灌注桩来说，完整性检测显得尤为重要。对于几种基桩桩身完整性检测方法，钻芯法是较为可靠、直观的检测手段，但该法只能反映局部范围内混凝土的质量，且很难使用于长桩。低应变动测法是目前认为较能准确测定缺陷的方法之一，但是受到浅部盲区、多缺陷和桩身过长等限制，无法测试出桩身浅部缺陷、多个缺陷及深部或桩底缺陷。总的来说，低应变法桩身检测对缺陷程度较小的桩，准确率很低仅为12%，与它形成鲜明对比的是超声波检测的准确率几乎高达100%，运用声波透射法检测桩身完整性以及基桩质量在现代大型的高层建筑、公路、桥梁工程中越来越普及。

1 声波透射法基本理论及检测技术

1.1 声波透射法检测混凝土灌注桩工作原理

在被测桩内预埋若干根竖向相互平行的声测管作为检测通道，将超声脉冲发射换能器与接收换能器置于声测管中，管中注满清水作为耦合剂，由仪器发射换能器发射超声脉冲，穿过待测的桩体混凝土，并经接收换能器被仪器所接收，判读出超声波穿过混凝土的声时、接收波首波的波幅以及接收波主频变化等参数。混凝土是由多种材料组成的非匀质多孔结构，超声脉冲信号在混凝土的传播过程中因发生绕射、折射、多次反射及不同的吸收衰减，使发射信号在混凝土中传播的时间、振动幅度、波形及主频等发生变化，这样接收信号就携带了有关传播介质的密实缺陷情况、完整性等信息。当混凝土中有缺陷时，接受信号发生畸变，通过对接收信号的各种声参量进行综合分析，即可对桩身混凝土的完整性、内部缺陷性质、位置以及桩混凝土总体均匀性等级等做出判断。

1.2 检测方法及仪器

声波透射法测桩常用的检测方法根据声测管埋置的不同情况分为:双孔检测、单孔检测和桩外孔检测。根据探头升降方式分为:水平同步法、高差同步法、扇形扫射法、声阴影重叠法等。检测仪器采用超声波检测仪，超声检测系统示意如图1所示。

图1 基桩声波透射法现场检测示意

1.3 检测数据的处理与判定

基桩的声波透射法检测需要分析和处理的主要声学参数是声速、波幅、主频，同时要注意对实测波形的观察和记录。

1.3.1 桩身完整性及缺陷判定方法

对检测数据进行处理判定的方法主要有:概率法、PSD判断法、NFP判断法等。概率法主要依靠声时作为判断依据。PSD判断法主要依据声时斜率及相邻两点声时差值的乘积作为判断依据。NFP判断法主要结合声时、波幅、频率等参数，通过其总体的概率分布特征，获得一个综合判断值NFP来判断缺陷。

1.3.2 桩身完整性及缺陷判据

1)声速判据:用平均声速减去2倍的标准差作为判断有无缺陷的临界值。

2)波幅判据:波幅(衰减量)对缺陷反映非常敏感，用接收信号能量的平均值的一半作为判断有无缺陷的临界值。

3)K·ΔT判据:用声时—高程曲线上相邻两测点的斜率K及相邻两点声时值ΔT的乘积K·ΔT作为判断缺陷的判据。

1.3.3 桩身混凝土匀质性判据

以声速的离异系数Cv作为桩身混凝土匀质性的判据。

1.3.4 桩身混凝土缺陷的综合判定

声波结果分析是通过声速、声幅、频率随深度的变化及现场采集波形畸变程度综合评定的，进而判定桩身缺陷程度、位置，评定成桩质量(如表1)。用于判断桩身混凝土缺陷的多个声学指标:声速、波幅、主频、实测波形各有特点，但均有不足。在实际应用时，既不能惟“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，波幅与混凝土的弹塑性相关，采用以声速、波幅判据为主的综合判定法对全面反映混凝土这种弹塑性材料的质量是合理的、科学的处理方法。现场检测与综合分析可按以下步骤:

1)采用平测法对桩的各检测剖面进行全面普查;

2)对各检测剖面的测试结果进行综合分析确定异常测点;

3)对各剖面的异常测点进行细测加密测试;

4)综合各个检测剖面细测的结果推断桩身缺陷的范围和程度;

5)在对缺陷的几何范围和程度做出推断后，对桩身完整性类别的判定可按各种类别桩的特征进行。

表1 声波穿过不同缺陷程度混凝土的声学参数差异

现在要说明的是，由声速、波幅参量确定了缺陷临界值后，便可以把桩身缺陷部位划分出来，但却无法推定缺陷的类别，有时甚至还难于对缺陷加以推定，这是因为由声速和波幅来确定缺陷的测试属于相对比较测量法，另外由声速、波幅推定出的缺陷是多解的，其解不是唯一的。桩身完整性的推断解释必须掌握灌注桩全部制作过程的技术资料和档案做为分析判断桩身完整性、有无缺陷、是何种缺陷的佐证，才有可能比较正确地对桩身完整性及缺陷性质做出推断解释，例如:

1)由成孔方式可推断缺陷是否可能夹泥;

2)由地下水条件及混凝土灌注方法、施工记录来判断缺陷是否可能离析;

3)由浇灌过程是否连续或中断，判断缺陷是否是二次浇注面或断桩;

4)由地层中的黏土层及黏土的塑性指数、终孔后距离浇注时间的长短，判断是否可能出现严重缩径使检测管外露。从而排除这个部位的桩身是否存在其它缺陷，避免误判后抽芯抽不到缺陷的尴尬局面等。

1.3.5 桩身混凝土质量现有评定方法的不足

基桩检测的相关规范中，根据桩身是否存在缺陷及存在缺陷的严重程度，将桩的完整性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四个类别，并依据各检测剖面的声学参数异常点的分布情况及异常点的偏离程度，决定被测桩的完整性类别。但由于混凝土是集结型的复合材料，多相复合体系，分布复杂界面(骨料、气泡、各种缺陷)，加上灌注桩的混凝土需要自密实、地质条件以及成桩工艺复杂等情况，因此其检测的声参量数据波动较大，在实际测试的过程中完全不出现异常测点的可能性较小，因此不能机械地理解并执行规范中桩身完整性的判定标准，否则工程上很难有Ⅰ类桩，也不符合桩的完整性分类的定义。因此上述理论异常点只是可能的缺陷点，应根据异常点的实测声速、波幅、波形与正常混凝土的偏离程度和畸变程度，异常点的波形与正常混凝土的波形相比的畸变程度综合判定。

2 声波透射法检测灌注桩实例分析

某跨海大桥桩基础采用钻孔灌注桩，设计桩身直径 φ 2 200 mm，桩长 101 m。采用目前最先进的ZBL-U520A型非金属超声检测仪对试验桩完整性进行检测。试验桩预埋4根检测管，呈正方形布置于钢筋笼的内侧并使其保持平行(如图2)，管内注满清水，作为声波耦合剂。检测时采用普查和细测相结合。普查时采用对测方法，测量步距为25 cm，以同一高度等距离同步移动，逐点测读声学参数并计录换能器所处深度，检测过程中经常校核换能器所处高度。若检测过程中发现数据异常，则采用间距加密或斜测等方法进行细测。

图2 声测管位置示意

图3 试验桩超声波检测波形(1)

从现场各剖面的检测结果可看出，在桩顶以下－45.5～－46.8 m范围内全断面存在严重缺陷，各项检测指标(声时、声速、波幅等)明显异常;－4.6 m处附近存在缺陷，各项检测指标(声时、声速、波幅等)异常，检测波形如图3、图4。缺陷处声速、声幅明显低于临界值，且PSD曲线明显突变，该处声波波形包络线呈喇叭形、严重畸变、扭曲，波形特征如图5(a)所示。其余部分混凝土质量密实、均匀，相邻测点声速、声幅变化较小，PSD曲线接近直线，波形特征如图5(b)所示。随后施工单位对试验桩进行了钻孔取芯，结果与超声波检测一致。在多次讨论后，施工单位对缺陷部位进行高压水下切割、清渣及压浆等处理。压浆后又对其进行了第二次超声波检测，经对检测波形分析，检测结果与压浆前所进行的第二次检测结果基本相同，各项异常检测指标的位置、范围、程度也基本一致。后经与施工单位分析原因，该桩缺陷为灌注过程中因施工不连续造成，即由于施工停料，灌注间歇时间过长，而导致桩身缺陷。在未及时进行技术处理的情况下，直接灌注桩体上部混凝土而形成断桩。在该工程中，采用声波透射法检测，及时准确地发现安全隐患，工程质量得到有效控制。

图4 试验桩超声波检测波形(2)

图5 试验桩实测声学参数特征

3 结语

采用声波透射法进行灌注桩完整性检测能够准确地判断出桩基是否有断桩、夹层、空洞、泥团、蜂窝、缩径等缺陷，是一种非常直观、可靠的方法，通过本次的工程实际检测，效果良好。近年来许多桥梁桩基都采用声波透射法检测来控制工程质量。随着科学技术的飞速发展，检测仪器性能的不断改进以及检测人员技术水平的不断提高，超声波透射法测桩技术将会得到越来越广泛的应用。

［1］中华人民共和国行业标准.JGJ106—2003 建筑基桩检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［2］陈凡，徐天平，陈久照，等.基桩质量检测技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［3］韩小敏.声波透射法在基桩质量检测中的应用研究［D］.武汉:武汉理工大学，2007.

［4］胡在良，李晋平，张佰战，等.基桩声波透射法检测技术的应用研究［J］.铁道建筑，2008(12):20-22.