浅析声波透射法与低应变法综合检测桩基

覃 锟

(广西桂通工程咨询有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

桩基是公路桥梁采用较多的基础，其质量关系到整座桥的工程质量。桩基由于受到地质条件和施工人员、机械、材料等条件的影响，容易产生断桩、缩径、扩径、离析、桩底沉渣过厚、混凝土强度不足、夹层等缺陷。桩基检测工作就是要找到这些缺陷进行处理，最普遍、简单的检测方法是声波透射法和低应变法。本文根据现场检测经验，对两种方法进行对比和总结，综合两种检测方法的优点，提高对桩基缺陷判断的准确率。

1 桩基的缺陷类型和成因

由于桩基施工工艺不合理或地质条件复杂等因素，桩基通常会出现各种缺陷，不同程度地影响桩基的承载能力：

(1)断桩，指桩身断裂或者断开的情况，是一种严重的缺陷，直接影响桩基承载力。断桩主要由外界压力过大或者拔管过快造成。

(2)桩底沉渣过厚，指桩底与岩层之间存在过厚的软弱层。对于端承桩来说，这种缺陷在很大程度上影响了桩基的承载力。这主要是清孔不干净或者灌注前塌孔造成的。

(3)离析，主要是混凝土配合比不当或和易性不好，造成某一段混凝土骨料不均匀，混凝土呈现蜂窝状或含砂过高的形态，这也直接导致了桩身强度偏低，承载力不足。

(4)夹泥、空洞、扩径、缩径，主要是混凝土材料没有严格控制，混入了泥土；地基土质黏性大或者孔壁在混凝土灌注时出现轻微塌孔造成的。

本节分析出缺陷的成因及现象，有助于选择检测方法，更加直观地分析检测数据、判断桩身缺陷。

2 声波透射法检测

2.1 声波透射法原理

声波透射法检测就是利用波的传播理论[1]。当混凝土桩存在缺陷时，混凝土就不再是一个均匀的整体，缺陷面就形成了一个阻抗面，应力波在阻抗面会产生反射和折射，波速和波幅也会发生相应的变化。而声波透射法就是利用这一原理，在声测管中向混凝土发射超声波，超声波在经过缺陷时，产生了绕射和散射，仪器接收到这些缺陷信息，将其与完整的信息参数作对比分析，就可以了解到混凝土内部的质量状况。

2.2 声波透射法判定依据

通过声时、波幅、接收到的波频率和波形以及分析后的PSD判据对桩基缺陷进行判断。

(1)声时是超声波由换能器发出，穿过混凝土后接收器接收到超声波的时间。如果混凝土质量没有缺陷，当声测管距离不变时，仪器接收到的声时应当没有太大变化；如果桩基存在断桩、离析、空洞等缺陷时，超声波到阻抗界面时会产生反射、透射和绕射，声波传播时间就会延长。仪器经过分析数据生成“声时-深度”图，就可以更加直观了解到检测剖面的情况了。

(2)波幅也是判定桩基是否存在缺陷的一个重要数据。混凝土的密实度会影响声波波幅，桩身越密实，波幅越大；越松散，波幅越小。声波通过缺陷形成的阻抗面时发生反射和散射，能量被大大削弱了。在声波透射法中，我们以首波的波幅来判断桩身是否存在缺陷。

(3)接收到的波频率和波形也是我们判定桩身是否存在缺陷的依据，不同频率的超声波在混凝土中传播的衰减量不同，混凝土内部质量越差，超声波衰减越大，接收到的频率越低。首波的第一个周期计算衰减的频率比较准确。由于有各种各样的缺陷界面，声波经过缺陷面会产生反射和折射，这些杂乱无章的声波互相叠加后形成新的波形，因此，接收到新的波形也可以判断缺陷。

(4)PSD判据。由于工程多数是在野外施工，受种种条件的约束，灌注桩的均匀性往往较差。超声波检测得到的各项参数离散性较大，声测管间距也存在变化。因此，其他参数使用概率法容易造成误判。PSD判据可以有效克服该缺点，准确地分辨出缺陷。PSD判据利用“声时-深度”曲线相邻两点的时间差和两点连线的斜率的乘积作为判据，再结合其他参数情况来判定波形是否异常。这样能够消除声测管偏差及桩身均匀性不足等因素对检测的影响，有效地对缺陷进行判断。

如果只依靠声波透射法检测桩基的指标评定很容易出现误判、漏判，准确性差。只有结合多种数据类型，综合评判才能得到可靠的结果。

3 低应变法

3.1 低应变法原理

低应变法是将桩身假设为一维弹性杆[2]。检测前先将桩顶的软弱层凿除，然后根据桩径大小设置传感器的位置。检测时锤击桩顶形成应力波，应力波在桩身中向下传播，当应力波遇到缺陷面时，由于波阻抗发生变化，入射波发生透射、反射、散射，传感器接收到这些波形，通过对这些波形的分析，由反射波声时可以推断出桩长和缺陷深度；由反射波的正反向、波幅大小可以判断缺陷的类型。低应变法的理论基础实际就是一维弹性杆件的弹性波传播理论。

3.2 现场检测低应变的注意事项

(1)首先应当对桩基进行必要的处理，先凿除桩顶软弱层，使桩露出密实的混凝土面，根据桩径的大小对桩基的传感器进行布点，布点位要打磨光滑，这样才能使传感器有效粘结，也方便激振信号。

(2)激振时，传感器和激振方向都要尽量满足竖直向下，传感器与桩身要耦合好，粘结剂通常选用黄油。粘结剂要求剂量适中，剂量过少容易造成传感器不稳；剂量过多，传感器接收到的数据质量会变差。锤击桩顶时，应当尽量避开钢筋区域，防止钢筋产生干扰信号。

(3)应当根据桩径、桩长的不同，选择相适应的材质和质量的力棒，这样才能获得适合分析的低频的宽脉冲或高频的窄脉冲。用适当的能量竖直向下激振，使反射波形可以看到明显的桩底信号。激振能量不应过大，能量过大会使桩周介质产生位移，干扰反射波形。还可以根据现场检测情况来变换传感器和激振位置，用不同的力棒敲击来检测桩基的深部和浅部缺陷情况[3]。

(4)在检测现场应当对收集到的信号进行预判，如果不能得到预判结果，应当根据现场情况对该检测点多次采集，若同一测点经过多次检测收集到的信号不一致或同一根桩不同检测点信号不一致时，应当适当增加检测点。分析造成数据不一致的原因，如果桩顶有质量问题，应当对桩进行必要的处理后再次检测。

低应变法是在理想条件下的检测方法，当桩基的嵌岩深度过长，桩身和岩层波阻抗差异太小，反射波曲线无法分辨出桩底反射波形；当检测长径比超过一定限定的桩，高频波不能到达桩底，低频波分辨率不足，缺陷容易漏判。低应变法对浅层缺陷和太小的缺陷都无法判断，局限性较大。

4 两种检测方法综合分析

声波透射法可以较直观地发现缺陷位置，但只能对每一个剖面单独进行统计和评估，当受检桩基的同一个截面上多个剖面有不同的完整性表述出来时，很难对这根桩的质量等级进行评价。声波透射法还受到埋设声测管的影响，声测管不平行就容易造成检测结果与实际不符。如果桩长较长，在桩底声测管很难做到平行，给检测人员对桩基质量的判读带来困难。低应变法只能判断出有无缺陷及缺陷的大概位置，不能直观地发现缺陷。如果桩身嵌岩深度大或者土层的阻尼过大，则桩身的缺陷及桩底反射信号基本没有办法接收到，由此可见两种检测方法的综合分析很重要[4]。采用声波透射法和低应变法一起检测桩基缺陷，一方面可以避免单一检测方法的局限性，另一方面又可以用两种方法相互验证结果，增加了判桩的准确性，满足客户要求。

有一座在建桥梁，施工方法为机械冲孔桩，混凝土强度等级为C30，混凝土龄期均达到设计要求，对该桥采用声波透射法和低应变法检测，其中有一根桩基，设计桩长为10.8 m，设计桩径为1 500 mm，检测结果波形图如图1所示。

A-B面

A-C面

B-C面

经检测AC剖面与BC剖面在10.0～10.8 m处声时明显延长，波速明显降低，而AB剖面则无明显变化，波形完整性较好。声速、波幅、PSD值均显示：在A-C、B-C两个剖面，混凝土在10.0～10.8 m处出现异常，A-B面无异常，我们初步认为A-C与B-C剖面可能存在缺陷，但也有可能是声测管倾斜导致声时和波幅的变化。为了进一步确定缺陷的性质和程度，对这根桩基进行了低应变法检测，得到如下波形(如图2所示)。

图2 桩基低应变检测波形图

通过低应变法检测结果可以分析出桩身基本完整，波形光滑，无其他明显缺陷，在10.8 m处桩底反射信号良好，不影响桩基承载力，可以认为图1出现的问题是声波透射法检测中声测管倾斜造成的缺陷信号，桩基本身无问题。

声波透射法能比较直观地确定缺陷位置，为检测人员提供直观的信息，但当有些缺陷存在一个或几个剖面时，不能根据这几个剖面来判定整根桩基的质量，这时利用低应变法来辅助检测，就更容易从整体上给桩基质量定性。结合两种方法来确定桩身的完整性更为有效，更具说服力。

本节通过实例分析了两种检测方法的特点，并认为两种检测方法对桩基进行综合分析能够弥补单一检测方法的不足，更为有效地判断桩基质量。

5 结语

(1)检测结果受多种因素的影响，根据检测结果不同的反应特征可以判断出各种不同的桩基缺陷类型。很多时候，桩基检测人员应当在现场检测时询问现场桩基施工情况和了解当地的地质情况，对这些因素进行综合分析才能对缺陷的成因有准确的判断。

(2)不同的检测方法能够提供桩基的多种物理特性数据，能够更全面地分析桩基缺陷的成因。

(3)声波透射法能够更加直观地反映桩基的缺陷细节，而低应变法能对桩基整体质量进行评价，两种检测方法运用于同一根桩基中，能让检测人员更加准确地分析桩基缺陷，得到令人信服的检测结果。

总而言之，采用两种检测方法对桩基进行综合分析，能更加准确地评价桩基质量。

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

[2]丁恒轩.低应变反射波法基桩质量检测理论与应用[D].南京：南京理工大学，2012.

[3]王树栋，郑亚宏，舒 森，等.低应变法在桩基浅部缺陷检测中的应用[J].路基工程，2011(1)：146-149.

[4]陈 风，徐天平.桩基质量检测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.