声波透射法在基桩完整性检测中的应用

王　骏，　李　凡，　童　进，　赵云龙

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009 )



声波透射法在基桩完整性检测中的应用

王骏，李凡，童进，赵云龙

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009 )

摘要：在介绍声波透射法检测桩基完整性原理的基础上，结合某工程的钻孔灌注桩检测工作的实例，来浅析声波透射法在基桩完整性检测的应用。

关键词：波速；波幅；声测管；波形图

由于桩基工程属于地下隐蔽工程,桩周土体以及桩土间的结合状态难以确切控制,导致桩身质量问题普遍存在,因此,检测工作十分必要。

桩基检测包括桩基承载力和桩身完整性检测。桩基承载力的大小直接决定桩基能否承受并传递上部荷载。完整性检测是为了发现某些可能影响桩基承载力的缺陷,确保桩基的耐久性,为减少安全隐患、可靠判定桩基承载力服务。因此,桩身完整性检测十分必要。目前,我国桩身完整性检测以无损检测为主,其中声波透射法检测因具有范围覆盖广,信息量丰富,结果准确可靠,以及现场操作简单,不受桩长和桩身限制等特点,而得到广泛使用。本文以钻孔灌注桩桩基检测为例,来浅析声波透射法[1]。

1声波透射法的原理及其检测方法

声波透射法的原理是由于弹性波在混凝土中的传播过程与混凝土的质量紧密相关,所以能通过应力波能量的衰减、波速和波形的变化来判断应力波传播路径上的混凝土质量;应力波在传播路径上遇到缺陷时,又会产生局部范围内的绕射、反射和折射,因而能发现和评定各种局部的内部缺陷[2]。

如图1,检测方法是桩基成孔后,浇注混凝土之前,在桩身预埋若干根和桩身长度一样的声测管作为声波发射和接收换能器的升降路径。在桩身混凝土浇注至少14 d以后开始检测,用声波检测仪沿桩的纵轴方向逐点检测声波穿过桩身各截面的声学参数[3],继而对检测数据进行处理、分析和判断,确定桩身混凝土缺陷范围的位置和范围,最终推断出桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性,评定桩身完整性等级。

图1　声波透射法测试示意

2测试前的准备工作

2.1声测管处理

浇注混凝土前,一定要仔细绑扎声测管,保持声测不发生变形和弯曲,浇注后,用橡皮塞堵住管口,以保证没有杂物落入管内,维持管内通畅。检测前,将声测管灌满水(作为声波传播的介质)[4]。

2.2换能器以及声波仪

将换能器缓慢平稳地放入声测管内,并通过定滑轮将若干个换能器控制在同一标高,其累计相对高差不应大于20 mm,并随时校正。并通过数据线将声波检测计数据仪、换能器电缆线和声波仪三者连接在一起。

3现场数据采集注意事项

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。

4室内数据分析处理与判定

4.1声波波速与混凝土质量的关系

声波声速由一个换能器发出一个同步脉冲信号,穿过混凝土到另一个接收信号首波的起跳点的时间间隔(称为透射时间)计算得到声速。声速在混凝土中的传播波速反映混凝土的弹性性质,而混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性,因此声波声速与混凝土强度之间具有相关性。

当两根声测管竖向基本平行时,混凝土内部越致密,孔隙率越低,则波速越高,强度也越高。当其内部出现缺陷(离析、疏松、夹泥等),声波因穿过缺陷区,产生各种折射、反射以及绕行,导致声速下降。因此,声速是判断混凝土质量的重要因素。

声速判断依据:若实测混凝土声速值低于声速临界值,其作为混凝土缺陷可疑区域[5]。即

(1)

其中,vp为声速临界值(km/s)。声速临界值采用正常声速平均值与2倍声速标准差的差,即

(2)

(3)

(4)

4.2声波波幅与混凝土质量的关系

当桩的内部出现缺陷(离析、疏松、夹泥等),声波因穿过缺陷区,产生各种折射、反射以及绕行,不仅会导致波速下降,也会导致接收信号的波幅(波能量)下降。因此,声波波幅也是判断混凝土质量的重要因素。

波幅判断依据:用波幅平均值减6dB作为波幅临界值,若实测波幅低于波幅临界值,其作为混凝土缺陷可疑区域[6]。即

(5)

(6)

其中,AP是波幅临界值(dB);Am是波幅平均值(dB);Am是第i个测点相对波幅值(dB)。

4.3相邻测点数据与混凝土质量的关系

采用上下相邻测点数据随深度的变化速率和数据差值的乘积作为判据,简称“PSD”判据。PSD数值主要取决于相邻测点透射时间之差,因此对于各种逐渐变化的因素(如测管间距的缓慢变化,混凝土质量的不够均匀等)并不敏感,而对于各种引起透射时间发生突变的因素(如混凝土内部的局部性缺陷)的反应却十分强烈。因此,采用PSD判据,能够基本消除测管不平行或混凝土不均匀等因素的影响而突显混凝土局限性缺陷的存在。

PSD判断依据:若PSD数值在某测点附近变化十分明显时,其作为混凝土缺陷可疑区域[7]。

(7)

其中,ti是第i个测点声时值(μs);ti-1是第i-1个测点声时值(μs);zi是第i个测点深度(m);zi-1是第i-1个测点深度(m)。

4.4各参量组成的综合判据

根据实践经验,各种单一的判据对不同类型缺陷的反映是各不相同的。例如,对于离析来说,由于密度较大的粗骨料缺失,波速将有所降低,但对波的能量损失影响不大,因此波幅的反映一般并不明显;对于疏松来说,则波幅比波速更加敏感。因此,遇到异常情况,一定要结合多项数据综合判据[8]。

4.5工程实例数据分析

某工程桩基础,桩长43.5 m,直径1 200 mm,预埋3根声测管,混凝土C25,使用武汉岩海RS-ST06D非金属超声检测仪检测,数据如图2,发现在桩长41.5～42.75 m处数据(声速、波幅、PSD)异常。

图2　某桩基声波透射法检测数据

发现问题后,检测同一批灌注的桩基,皆发现同样的问题,后续按比例选择5根桩基进行钻芯取芯,如图3,桩基在41.5～42.75 m皆没有缺陷,完整性很好。

图3　某桩基取芯混凝土样

后来,通过检查桩基浇筑的前后细节,发现在绑扎桩基声测管时,在桩基底部没有将声测管和钢筋牢牢地绑在一起,在浇注混凝土时产生巨大冲击力将声测管冲离原来的位置,从而导致数据异常,并非混凝土质量的问题[9]。找到问题后及时更正,在后续桩基的检测数据都没有出现桩底数据异常问题。

5声波透射法的盲区

只能检测到声测管范围内的混凝土质量,却无法检测其范围外的。目前尚无法改进其检测技术本身来突破这一瓶颈,而常用的办法就是借助低应变来弥补[10]。

6结束语

声波透射法检测桩基完整性,具有较高的可靠性,遇到异常情况需要结合其他检测方法进行分析。当然对其可靠性评价只有在其适用条件下和限定的定性分析范围内才有意义。

〔参考文献〕

[1] 广东省建设工程质量安全监督检测总站.工程桩质量检测技术培训教材[M]．北京:中国建筑工业出版社，2009．

[2]李德庆，李澄宇，李澄海．桩基工程质量的诊断技术——方法、原理及应用实例[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009．

[3]段文旭.低应变法和声波透射法在桩基检测中的综合应用研究[D]. 成都:成都理工大学，2014.

[4]杨永亮.超声波透射法在桩基完整性检测中的应用[D]. 武汉:武汉理工大学，2012.

[5]钟会生.基于声波透射法的灌注桩检测技术应用改进研究[D]. 西安:西安建筑科技大学，2011.

[6]马溁.超声波透射法在桥梁桩基完整性检测中的应用[J].公路与汽运，2014，165(6)：173-174.

[7]刘增永，徐日庆. 超声波透射法在桩基检测中的应用[J].低温建筑技术，2005，104(2)：69-71.

[8]JGJ 106-2003,建筑基桩检测技术规范[S].

[9]程瑞新，李建中，黎超群. 声测管不平行对声波透射法基桩检测结果的影响及其校正方法[J].岩土工程界，2008，11(10)：63-65.

[10]张磊.超声波透射法与低应变反射波法在基桩检测中的对比研究[D].西安：长安大学，2012.

收稿日期：2015-12-30；修改日期：2016-01-15

作者简介：王骏(1990-)，男，安徽宣城人，合肥工业大学硕士生；

中图分类号：TU473.16

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)01-0088-03

李凡(1967-)，男，安徽明光人，博士，合肥工业大学教授．