钻孔灌注桩的超声波检测技术应用

王　鹏, 樊　勇, 马　锐，徐晓东，范瑜洋,

(1. 淮安市建筑工程检测中心有限公司，江苏 淮安 223001;

2.灌南县住房和城乡建设局，江苏 连云港 225003；

3. 淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)



钻孔灌注桩的超声波检测技术应用

王鹏1, 樊勇1, 马锐2，徐晓东3*，范瑜洋3,

(1. 淮安市建筑工程检测中心有限公司，江苏 淮安 223001;

2.灌南县住房和城乡建设局，江苏 连云港 225003；

3. 淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

摘 要：超声波的波速等参数在不同介质中有较明显的差异，在混凝土中传播时其声学参数与混凝土的密实程度存在密切的关系，根据所采集的声学信号及参数的变化情况可以反映出混凝土中介质的变化情况，从而达到判断基桩完整性的目的。结合某仓库钻孔灌注桩的基桩检测，介绍了超声波检测的应用，并对声波法在基桩检测中的基本理论、检测方法及判别标准进行了分析。

关键词：钻孔灌桩；混凝土；超声波；检测

0引言

混凝土钻孔灌注桩是基础工程中目前最基本、最普遍的一种深基础，技术成熟，操作简便，设备投入不大。因此，被广泛应用在房屋建筑、高耸结构、铁路及桥梁等各种基础设施建设中。但是，由于钻孔灌注桩属于隐蔽工程，其质量和内部缺陷，尤其是桩身的完整性及混凝土强度，成为成桩后的质量检测中必不可少的环节[1]。目前，对于基桩的基础方法主要有：钻芯法检测、超声波透射法检测、低应变法检测。因为超声波透射法常会因桩头施工造成声波管被挖断或因管顶的封盖脱落造成堵管，无法正常检测至桩底，对基桩整体进行判定，此时需要局部采用低应变法对桩基补充检测[2]。本文结合淮阴卷烟厂烟叶仓储项目三期工程9#、10#烟叶醇化库的桩基超声波检测，分析超声波检测的工作原理、检测方法和实际工程的检测数据分析处理。

1超声检测桩基

1.1基本原理

混凝土灌注桩声透射法检测的主要工作原理：在桩身中预埋若干根声测管、声测管材质可以是铁管或PVC管、管内充满水作为声耦合剂。然后将超声脉冲发射器和接收传感器分别置于声测管中同一水平高度。测试中，两个传感器保持同步移动，发射传感器发射超声脉冲通过桩身混凝土到达接收传感器接收[3]。由于超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性；当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波达到该界面时，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能力明显降低；如果混凝土中存在松散、蜂窝、孔洞等内部缺陷，声波将产生散射或绕射；依据波的初至时间和波的能量衰减特征、频率变化及波形畸变等，可以获取测区范围内混凝土的密实度参数。测试记录不同侧面、不同高度上的超声波动特性，经过处理分析就能判别内部缺陷的性质、大小及空间位置。

根据桩身完整性的判据，将桩身质量分成4类。

Ⅰ类桩：桩身完整。桩身没有缺陷，波速比较均匀，异常处的波速大于检测桩身平均值，波幅无明显差异。

Ⅱ类桩：桩身有轻微缺陷，但不会影响桩身结构承载力的正常发挥。某一声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值，但波形基本正常。

Ⅲ类桩：桩身有轻微缺陷，但不会影响桩身结构承载力的正常发挥。某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值小于临界值，PSD值变大，波形畸变。

Ⅳ类桩：桩身存在严重缺陷。某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值明显小于临界值，PSD值突变，波形严重畸变。

1.2检测判别

1.2.1波速判据

弹性波在不同介质中传播时，其声学参数具有不一样的体现，通过声学参数在不同介质中的差异可以达到判定混凝土完整性的目的。波速与混凝土力学参数之间的关系[4]为：

(1)

式中：E、ρ、μ分别为混凝土的弹性模量、泊松比和密度。

1.2.2波幅判断

声波穿过混凝土内部时，部分声能被缺陷内含物所吸收，部分声能被缺陷的不规则表面反射和散射，因而到达接收探头的声能明显减少，主要表现为波幅降低[5]。对接收的数据采用波幅平均值的一半作为判断桩身有无缺陷的临界值，波幅常以分贝值表示：

qd=μq-6

(2)

(3)

式中：μq—振幅平均值；qi—第个测点的振幅值；n—测点数；qd—判断桩身有无缺陷的临界值。实践证明：波幅对缺陷的存在非常敏感，细小的缺陷都能使波幅有明显的变化，所以波幅能很明显地反映混凝土内部的缺陷。

1.2.3PSD判断

按声时—深度曲线相邻测点的斜率及相邻两点声时差值的乘积作为判断混凝土缺陷的重要依据，判断式为[6]：

(4)

式中：Ki—第i测点的PSD判据；tci、tci-1—分别为第i测点和第i-1测点声时；zi、zi-1—分别为第i测点和第i-1测点深度。根据实测声时计算某一剖面各测点的PSD判据，绘制“判据值—深度”曲线，然后根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化的情况，进行异常点判断。

2超声波检测钻孔灌注桩

2.1工程概况

淮阴卷烟厂烟叶仓储项目三期工程9#、10#烟叶醇化库位于淮安市开发区鸿海路与膳魔路交汇处，桩基全部为混凝土灌注桩，工程桩总数为332根，混凝土强度等级为C30，桩径为800mm，桩长为28.1m，桩顶标高为-2.2m～-3.6m。设计采用声波透射法检测的桩基在施工时预埋三根声测管，检测数量为34根，主要检测桩身缺陷的位置及影响效果，判定桩身完整性类别。检测时间为2015年5月13日。

2.2检测准备

检测前的准备包括：查看工程相关资料，了解工程地质概况，调研桩基设计数据和施工记录等，排查施工工艺及施工过程中出现的异常情况，制定具体的检测方案。

检测时间应满足混凝土龄期要求，针对本工程设计要求不少于28d。

检测前应冲洗声测管，保证传感器在全程范围内升降顺畅。声测管内灌满清水作为耦合剂，如果声测管中浑浊水将明显甚至严重加大声波衰减和延长传播时间，给声波检测结果带来误差。

在基桩施工前，根据桩直径的大小预埋一定数量的声测管，作为传感器的通道。测试的每两根声测管为一组，通过水的耦合，超声脉冲信号从一根声测管中的传感器中发射出去，在另一根声测管中的传感器接收信号，超声仪测定有关参数并采集存储。

2.3桩基检测

结合本工程具体实际情况，采用收、发传感器水平同步平测，上、下两测点的设置为20cm。测试时，保证两个传感器同步升降，测试中，对收、发传感器所在的深度随时校准，其累计相对高程误差控制在20mm以内，避免由于过多的相对高程误差而产生较大的测试误差。

声波透射法检测混凝土灌注桩质量中，声时和波幅是两个重要指标，其中波幅对混凝土内部缺陷的反应往往比声时更具敏感性。波幅是一个相对量，而声时又是根据波形的起跳点来确定的。因此，为了使不同位置处的检测数据具有可比性和应用价值，在同一根桩的检测过程中，声波发射电压和放大器增益等参数应保持不变，并进行等幅测试。

对声时值和波幅值的可疑点应进行复测。对于声时值和波幅值出现异常的部位，应采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。

2.4工程检测

本次检测采取指定检测的方式，对指定范围内的34根桩进行声波透射法检测，检测标高为-2.2m～-3.6mm，桩径为800mm、桩长28.1m。由于桩基检测数量较多，本文以A-7#、A-19#、A-24#和A-35#桩为例，采用超声波检测技术，测得相关数据如表1所示。

表1　检测基桩超声波透射检测数据表

(a)A-7#　　　　　　　　　　(b)A-19#

(c)A-24#　　　　　　　　　　　　(d)A-35#

图1为A-7#、A-19#、A-24#和A-35#桩四根桩在0～28.1m范围内的波形图，通过波形可以判断桩基的完整性。

2.5检测结果

从现场检测结果可以看出关于A-7#、A-19#、A-24#和A-35#桩的检测结果，在桩顶以下0～28.1m范围内桩身完整，各项指标(波速、波幅等)正常，均高于临界值，未发现特殊异常情况，从图1中也可以发现，超声波形基本处于匀速状态，未发生呈喇叭形、严重畸形、扭曲等现象，表明混凝土质量密实、均匀。

通过对所指定范围内34根桩的波速、波幅、PSD值等各项指标的综合分析，所检测桩基桩身质量较好，全为Ⅰ类桩，均可作为工程桩验收使用。

3结语

结合淮阴卷烟厂烟叶仓储项目三期工程9#、10#烟叶醇化库桩基检测项目，对超声波透射法的工作原理、判断依据、检测步骤等方面进行了分析，对超声波透射法的评价方法进行了介绍，得到了以下结论：

(1)采用超声波透射进行灌注桩完整性检测能够准确判断出桩基是否完整，是一种非常直观、可靠的桩基缺陷检测方法。依据透射波的初至时间、波幅能量的衰减程度和波形是否发生畸变可以达到判断桩身的均匀性和完整性的目的。

(2)在现有的超声波检测桩基的评价方法的基础上，运用综合评价方法可以对桩基混凝土质量检测评价，且可以同时考虑多个参数的共同作用，实现对混凝土桩基的准确判断。

(3)从检测过程可以看出，声测管发生倾斜、弯曲会直接影响检测结果，从而影响对桩身质量的判断，采用曲线拟合的方法对发生弯曲的声测管管距需进行修正后方能使用。

参考文献：

[1] 夏志. 超声波检测技术在工程中的应用[J].桥隧工程, 2010(6):226-229.

[2] 吴辉琴,马瑞彦,黄柳云,等.多种检测方法在工程基桩中的综合应用与分析[J].混凝土,2012(4):119-121.

[3] 韩亮. 基桩声波透射法检测新技术及其应用[J].工程力学, 2007(6):141-145.

[4] 傅伟一,邓正宇,彭仕明. 声波透射法在大直径灌注桩检测中的应用[J].勘察科学技术,2003(5):52-55.

[5] 刘利民,舒翔,能巨华,等.基桩工程的理论进展与实践工程[M].北京:中国建材工业出版社,2002.

[6] 刘德志. 声波透射法准确判定桩身完整性的应用研究[D].兰州:兰州交通大学,2012.

(责任编辑：孙文彬)

Application of the Ultrasonic Testing Technologyon the Cast-in-situ Bored Piles

WANG Peng1, FAN Yong1, MA Rui2,Yu-yang3, XU Xiao-dong3*

(1. Huaian Testing Center for Construction Engineering Co., Ltd, Huai'an Jiangsu 223001 China;2.Bureau of Housing and Urban-Rural Develop ment of Guannan, Lianyugang Jiangsu, 225000,China;3. Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223001 China)

Abstract:Velocity and other parameters of ultrasonic wave could show the obvious differences in different media. When ultrasonic wave propagates in concrete, acoustic parameters have high correlations with the density of concrete. According to the acquisitions of acoustic signals and acoustic parameters, the changes of the medium inside the concrete can be found so as to determine the integrity of the bored piles. Taking the bored pile testing of a warehouse as an example, this paper introduced the ultrasonic testing technology in the bored piles, also analyzed the primary theory, test method and discriminating standard of the ultrasonic testing technology in the cast-in-situ bored piles.

Key words:bored pile; concrete; ultrasonic; testing

中图分类号：TU473.1+6

文献标识码：A

文章编号：1009-7961(2016)01-0077-04

作者简介：王鹏(1972- ),男,江苏淮安人,工程师,主要从事桩基检测和工程结构无损检测工作，*为通讯作者。

基金项目：淮安市工业计划项目(HAG2014047)；国家级重点大学生创新训练项目(201511049005Z，201511049007Z);

收稿日期：2015-10-20

淮阴工学院校级科研项目(HGC1413)