声波透射法桩基检测在沪宁城际高铁中的应用

李震东

1 工程概况

沪宁城际高速铁路东起上海，西至南京，全线长约300 km。于2008年7月1日正式开工，预计2010年上海世博会之前投入运营。线路走向基本与原京沪铁路沪宁线平行，设31个站点。沪宁城际铁路设计时速为300 km，计划运营时速为250 km，工程投资总额约394.5亿元。

由于设计的运行时速很高，沪宁城际铁路全线高架桥占80%。桥墩采用桩基础形式，由于该地区地质条件复杂，地下水位偏高，粉土，淤泥质粉质粘土层较厚，地基土的承载力较弱，桩基采用钻孔灌注摩擦型桩。每个墩身的桩基数在6根～39根不等，桩长在54 m～100 m之间。目前无损检测灌注基桩完整性的主要方法有声波透射法和应变反射波法，而对于超长或大直径灌注基桩的检测用声波透射法比较简单、直观、有效。

2 声波透射法原理及判据

声波透射法检测桩身完整性的基本原理是利用超声波透射力强的特点，依据声波在非均匀介质中传播或混凝土中传播遇到缺陷时产生声时、波幅、波形和主频等声波的特征变化的性质，达到检测混凝土桩基完整性的目的。灌注桩常见的缺点有:断桩、局部截面夹泥或缩颈、混凝土离析、分散性泥团及蜂窝状缺陷、集中性气孔、桩底沉渣和桩头强度偏低等[1]。如何具体的进行定性、定量准确判断出各种缺陷的性质、类型，目前国家规范和行业标准中都没有可操作性强的方法供参考，而且需要做何处理，也没有相应的判断标准，仍需通过经验综合判断。JGJ 106-2003建筑基桩检测技术规范中对各声学临界值进行了规定[2]。

声速判据:

其中，vc为声速的异常判断临界值;vm为声速平均值;λ为统计数据个数相对应的系数;sx为声速标准差。

波幅判据:

其中，Ac为波幅临界值;Am为波幅平均值。

PSD判据:

其中，K为声时—深度曲线相邻测点声时变化的斜率;Δt为相邻测点的声时差值。

规范没有给出PSD判据缺陷的临界值，PSD作为辅助判据，规范规定其在某深度处的突变，结合波幅变化进行异常点判定。

除此之外，在进行完整性判定时，还可以根据实测波形进行判定，有缺陷混凝土的波形有首波平缓，波幅小，波形不饱满，有畸变等特征。在桩基检测中，应该结合多个判据综合来判定桩身的完整性。有些非缺陷因素也会影响声学参数，比如混凝土的龄期、骨料种类、声测管变形等因素。在检测结果判定中，应综合波速、波幅和PSD判据等参数，并结合施工工艺和施工的现场记录来对桩身的完整性进行判定。

沪宁城际昆山至上海段桩基完整性检测采用的仪器为北京智博联公司生产的ZBL-U520A非金属超声检测仪。

3 工程实测中常见问题与解决方法

沪宁城际昆山至上海段桩基总共有2万根左右，由机械部第一勘察设计研究院负责检测，由于桩基数量巨大，需要在实测中不断的总结经验，以提高检测效率。

3.1 声测管的清洗

在桩基检测之前，必须先对声测管进行清洗，以便能检测到整个桩身的完整性。破桩头时要注意保护声测管里面不要掉细石进去。用高压水泵或空压机冲洗声测管时，要用清水进行冲洗，如选用混有泥沙的水，泥浆沉淀后会造成桩底声测管内沉渣而无法检测。清洗完后，用测绳记录冲洗的深度，有卡探头的地方，需要记录该深度位置，在管内注满清水，并用木块或布头堵住声测管口防止掉入泥沙细石。

3.2 卡探头的处理方法

由于声测管是由几根钢管焊接而成，而在焊接处如果处理不当容易卡探头;声测管弯曲变形，容易导致探头放下去难以拉上来;声测管里面有细石或其他东西容易导致探头卡住。探头卡在声测管里面提不上来，宜轻轻上下抖动导线，往上提拉，如果不能提上来，可以在测绳上系一直径与探头相近的，长度20 cm左右的钢筋头，把钢筋头往下放到探头深度处，测绳和电缆一起往上提拉把探头引上来。由于卡探头原因很多，往往钢筋头也会被卡住拉不上来，可以用有标度的钢绞线代替测绳。此种方法比较简便，优先选用。如果用钢筋头引不上来，可以采用冲洗声测管的高压水泵或空压机，通过水管把卡住探头的细石泥沙冲洗出来，不过此种方法费时费力，严重影响桩基检测效率。

3.3 对线与拉线中的问题

在经常选用的平测方法中，需要把线刻度对齐，使得两个探头保持在同一深度。如果线没对齐，会出现斜测情况，波速、波幅严重偏低，而数据处理采用平测的标准，导致误判。在对线时，需要综合考虑两根声测管高出桩头的长度不一和提升装置的滑轮高度等情况，适当把探头往下多放10 cm～15 cm，以便能使仪器读取到桩头最上面一个点的数据。

由于摩擦桩对桩底控制不严，桩底地质情况复杂，开始检测时，适当放慢探头的提升速度，以便能及时操作捕捉到首波，波速数据正常之后可加快拉线速度，以提高检测效率，到桩头部位放慢拉线速度，防止用力过大探头卡在滑轮处对其造成破坏。桩身数据有异常时，应放慢提升速度，以便能捕捉到首波的位置。

3.4 其他

在探头往上提升时，管内水位会不断下降，需要往管内加水，保证探头提升到桩头处，周围有水来进行耦合。否则，仪器接收到的波形会发生畸变，波速、波幅低于正常值，而造成误判。

由于检测时条件恶劣，泥水较多，测试完后，如不对超声波检测仪、提升装置、读取位移的滑轮进行清洗、干燥处理，会严重降低其使用寿命。

4 工程实例分析

4.1 实例一

A号桩，桩长56.5 m，桩径1000 mm，桩身混凝土强度等级C40，布置三根声测管，声测测点间距为0.25 cm，在浇筑的混凝土达到28 d龄期后对其进行检测。1—2，1—3，2—3剖面声速平均值分别为 4.298 km/s，4.171 km/s，4.460 km/s，标准差分别为0.2645 km/s，0.2429 km/s，0.3673 km/s;波幅平均值分别为101.34 dB，101.88 dB，102.19 dB。实测曲线如图1 所示。

图1 A号桩实测曲线

由图1可以看出三个剖面在24.25 m～27 m处波速、波幅很低，测点的波形畸变严重，可以判定此处桩身存在严重缺陷。查阅施工记录时发现灌注该桩时因暴雨引起较长时间断电，导管拔出混凝土造成混凝土浇筑不连续，初步判定为Ⅳ类桩。需要结合抽芯取样进一步判定。

4.2 实例二

B号桩，桩长64 m，桩径1000 mm，混凝土强度等级C40，浇筑的混凝土达到28 d龄期后对其进行检测。实测曲线如图2所示。

数据分析软件对1—2，1—3和2—3剖面计算出来的波速临界值只有 1.602 km/s，2.864 km/s，2.649 km/s，不符合正常值水平。主要是因为声速标准差太大。该桩在20 m～40 m处波形畸变严重，大部分波速低于3.0 km/s，波幅偏低，40 m处三个剖面PSD值很大。初步判定为Ⅳ类桩。由于无桩身灌注记录，需要结合抽芯取样才能分析缺陷的具体情况。

4.3 实例三

C号桩，桩长62 m，桩径1000 mm，桩身混凝土强度等级C40，浇筑的混凝土达到28 d龄期后对其进行检测。实测曲线如图3所示。

图2 B号桩实测曲线

图3 C号桩实测曲线

由图3可知C号管在22 m～35 m处发生变形，向桩中间倾斜，导致所测声时偏低，声速偏高，波幅正常，PSD值没有突变的地方。而声测管的变形导致了所测声速标准差变大，软件计算出的声速临界值1—2，2—3 剖面分别只有 2.576 km/s和 1.862 km/s，不在正常临界值范围内，需要对该段数据进行纠偏处理。综合波速、波幅和PSD值三者的情况，判定该桩为Ⅰ类桩。

5 结语

超声波透射法在桩基完整性检测中，用于判定桩身缺陷的声学参数——声速、波幅、PSD和主频各有特点，但均有不足。在桩身缺陷评判时，应采用以波速、波幅判据为主，PSD、主频判据为辅的综合判定法。由于透射法在应用中人为的主观因素占很大比重，所以对有缺陷的桩应持谨慎态度，不要漏判，也不要夸大缺陷的严重程度，必要时结合反射波法或抽芯取样法进行综合评判。

[1]王正君.研究超声波检测灌注桩混凝土强度[D].哈尔滨:东北林业大学，2005.

[2]JGJ 106-2003，建筑基桩检测技术规范[S].

[3]张冬美.低应变反射波法在桩基检测中的应用[J].山西建筑，2010，36(6):118-119.