超声波法在桥梁桩基检测中的应用研究

陈王剑

(贵州省交通科学研究院有限责任公司)

0 引 言

桩基作为我国桥梁工程最为常用的基础形式，具有承载能力较高以及抗震性能强的特点，能够将桥梁工程上部结构的荷载有效的传递到土层或者岩层结构中，对于提高桥梁工程的稳定性，缓解桥梁基础的沉降也具有重要的作用。然而由于桩基施工作业过程中容易受到工程地质条件、施工工艺、施工水平以及作业管理等各方面因素的影响，导致桥梁桩基出现断裂、缩颈、混凝土离析或者是夹杂泥沙等问题的发生，不仅影响桩基的承载能力，甚至有可能造成桥梁工程安全事故的发生。因此，必须强化桥梁桩基检测管理，尤其是桩基的无损检测技术，以便于评估桥梁桩基的结构状态，确保桩基工程施工质量以及桥梁工程整体结构的安全可靠。

1 超声波法进行桩基试验检测的基本原理

采用超声波法进行桩基检测，根据超声波的传播以及接收途径不同，可以分为回波法以及透射法两种形式。回波法主要适用于均匀的介质，例如对于金属等结构的检测。对于主要由非均匀的混凝土以及钢筋等材料组成的桩基，主要是采用透射法进行试验检测。

利用透射法检测桥梁桩基的原理为在桥梁桩基工程施工阶段，在混凝土桩基内事先预埋检测管作为超声波法的检测通道，并在检测管内灌注足量的清水作为试验检测的耦合剂，然后将超声波检测设备的超声波发射探头与接收探头置于声测管的两侧，超声波检测设备所发出的超声波脉冲在经过需要检测的桩基后，由接收器接收，进而得到超声波脉冲经过桩基的时间、超声波穿过后的波幅、超声波的主频率、超声波波形以及频谱等一系列的参数。由于超声波在混凝土传播的过程中，超声波的强度会发生散射、吸收或者是扩散衰减，因而可以通过这些参数作为判断分析的依据，对混凝土桩基的施工质量以及存在缺陷的位置进行判断分析，并对桩基混凝土的强度以及均匀性作出最后的评价。利用超声波法进行桩基检测的原理如图1 所示。

图1 超声波法进行桩基试验检测示意图

2 超声波透射法桩基检测的准备工作

(1)预埋声测管。利用透射法检测桩基工程质量需要在桩基内事先预埋声测管，对于桩基直径不足1.5 m 的情况一般埋设三根声测管，桩基直径在1.5 m 以上的通常需要埋设四根声测管以便于对桩基施工质量进行检测。声测管的材质尽量选择使用金属管，管间的连接宜采用螺纹连接，声测管内径应该至少大于换能器的外径1.5 cm。声测管可以采取与钢筋笼一同绑扎的方式安装，并在声测管的地步进行封闭，管口高出桩基30 cm，为避免杂物进入应加封口盖。声测管埋置方式如图2、图3 所示。

图2 圆形桩声测管布置图

图3 矩形桩声测管布置图

(2)仪器设备的检查。在开始桩基质量检验之前，应该对超声波法的试验仪器设备进行检查，确保通电后各项仪器设备的正常。仪器设备主要有声波测试仪、换能器(通常使用柱状径向振动的换能器)以及显示系统组成。此外，还应该对超声波透射法检测的延迟时间以及声时修正值进行检测，声时修正值t'的计算公式所示

式中:D 为声测管的外径，mm;D 为声测管内径，mm;d'为换能器外径，mm;vt为声测管壁厚度方向声速，km/s;vw为水的声速，km/s。

3 超声波透射法桩基质量检测

3.1 超声波透射法试验检测流程

首先应该将发射换能器以及接收换能器在安装扶正器后置于声测管之中，并确保能够在声测管内部顺利的升降。然后调整超声波检测仪器的具体参数，使接收信号具有较高的信噪比，波幅能够在显示器中得到确认。测点的间距应当在0.2 ～0.5 m 左右，如果在试验检测过程中发现异常情况，应该适当的对测点进行加密。发射以及接收换能器应该在同一标高或者是相差固定的高度进行检测，检测尽可能的从声测管的底部自下而上的开展，对超声波的行声时、波幅及接收波频率等参数进行测量，对于各种不正常的波形应当及时的记录，并通过平测、斜测、双向斜测及扇形扫测等方式进行加密测量。对于存在多根声测管的桩基，应该以两根声测管作为一组，分组进行桩基质量的试验检测。

在对桩基的每组声测管试验检测结束后，应该对桩基进行随机的重复性的试验检测，抽检量应该控制在桩基试验检测量10% ～20%，尽可能的控制声时相对标准差在5%范围内，波幅相对标准差在10%范围内，对于声时及波幅存在明显异常的情况应该进行重复测试，以准确的反映试桩基验检测质量。

3.2 超声波透射法桩基检测数据的处理

(1)声时、声速值以及波幅衰减值的计算。声时、声速值以及波幅衰减值等试验检测指标的计算公式(2)所示

式中:tci为桩基第i 测点的声时，us;Ti为第i 测点的声时原始测量值，us;t0为超声波检测系统的延迟时间;t 为声时修正值;I 为两根声测管外壁间的净距;Vi为第i 测点的声速，km/s;A 为第i 测点的声波波幅衰减值;Ai为第i 测点的声波波幅值;C 为常数CA/D 转换的最大值。

(2)桥梁混凝土桩基完整性的确定。对于混凝土桩基完整性的判断，主要是结合临界值、声速、波幅衰减临界值等几项指标进行确定。桥梁混凝土桩基缺陷的判定条件公式(3)所示

式中:VD为超声波的声速临界值，km/s;Vm为声速平均值，km/s;Sv为声速标准差，km/s;AD为波幅衰减临界值，dB;Am为波幅衰减平均值，dB。

对于测试结果，如果同时满足Vi＜VD和Ai＞AD公式条件时，表明该测点可视为缺陷点，但是如果仅仅满足Vi＜VD公式条件时，可以初步判定为桥梁桩基的可疑缺陷点。此外，在对桩基的完整性进行判定过程中，还应该综合对频率和接收波波形等进行分析。在明确同一桩基的缺陷测点之后，应该对桩基整体施工质量进行评定，利用超声波透射法检测桥梁桩基完整性的具体评定方法如表1 所示。

表1 超声波检测抗完整性评定表

4 结 语

超声波法作为桥梁桩基无损检测的重要方法，可以准确的反映桥梁桩基的实际情况，而且技术成熟可靠，操作简单方便，对于提高桩基试验检测效率具有重要的作用。相关技术检测人员在利用超声波法进行桩基试验检测过程中，必须明确超声波法的工作原理，严格按照《公路工程基桩动测技术规程》中的相关要求进行操作，并科学合理的进行数据的分析处理，确保超声波检测的准确度，为桥梁桩基工程施工质量控制提供严谨的评判依据。

［1］刘屠梅，赵竹占，吴慧明.基桩检测技术与实例［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［2］刘德贵，姚勇，王宁. 超声波透视法在桩基检测中的应用［J］.路基工程，2009，(2).

［3］曾永军，赵伟封，林江奕.浅谈超声法检测灌注桩的应用［J］.山西建筑，2006，32(18):71－72.

［4］公路工程基桩动测技术规程(JTG/T F81－01－2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.