超声波透射法在桥梁灌注桩检测中的应用

沈鸿渠

上海建耘建设工程检测有限公司 上海 201499

前言

灌注桩因承载力高、施工噪声小等优点，被广泛应用于各种高层建筑、桥梁等工程。在上海奉贤地区一般使用的是钻孔灌注桩，它是利用机械设备并采用泥浆护壁成孔，然后放置钢筋笼、灌注混凝土而成的桩。但由于钻孔灌注桩桩基工程属地下隐蔽工程，施工场地地层和施工人员的素质存在差异，在施工过程不可避免地存在着一些质量隐患。在实际检测中往往发现在河中墩上的桩比岸边台上的桩质量要差很多。为了确保上部结构的安全使用，必须对灌注桩进行质量检测。

钻孔灌注桩常见的质量问题：①桩底沉渣及孔壁泥皮过厚是导致承载力大幅降低的主要原因；②水下浇注混凝土时，如导管下口离开混凝土面、混凝土浇筑不连续时，桩身会出现断桩的现象；③当泥浆相对密度配置不当，地层岩性松散或呈流塑状，导致孔壁出现塌孔，桩身不同程度出现缩颈或者断桩现象。

目前，常用的基桩完整性检测方法主要有低应变法和超声波透射法。相比于低应变法，超声波透射法可对桩长范围内的各个截面的桩身质量情况进行检测，且不受长径比和桩长的限制，比低应变法更加直观、可靠。在实际工作经验中，低应变在上海地区基本只能发现上部缺陷，对中下部缺陷很难发现，尤其是桩身有多个缺陷时，低应变动测法更加无能为力。尤其是对于桥梁上的大直径灌注桩的完整性检测，设计一般都要求100%进行超声波检测。

1 工程原理

在被测灌注桩内预埋若干根竖向相互平行的声测管作为检测通道，将超声脉冲发射换能器与接收换能器置于声测管中，管中注满清水作为耦合剂，由仪器发射换能器发射超声脉冲，穿过待测的桩体混凝土，并经接收换能器被仪器所接收，判读出超声波穿过混凝土的声时、接收波首波的波幅以及接收波主频等参数。超声脉冲信号在混凝土的传播过程中因发生绕射、折射、多次反射及不同的吸收衰减，使接收信号在混凝土中传播的时间、振动幅度、波形及主频等发生变化，这样接收信号就携带了有关传播介质（即被测桩身混凝土）的密实缺陷情况、完整程度等信息。先用平测法进行普测，如发现数据异常，采用加密间距或斜测方法进行细测。根据混凝土声速统计之中的离散性来确定混凝土均匀性级别；桩身混凝土的完整性是根据声速、波幅是否小于临界值、PSD～深度是否明显变化来综合判断[1]。

2 现场测试

2.1 声测管的埋设及要求

声测管是径向换能器的通道，管材一般选用钢管，安装和连接方便，受环境影响小且可代替部分钢筋。声测管的埋设数量由受检桩桩径d大小决定，不同的规范对此的规定一般稍有区别，中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106-2014中规定：d≤800mm，不少于2根；800mm＜d≤1600mm，不少于3根；d＞1600mm，不少于4根。上海市工程建设规范《建筑基桩检测技术规程》DGJ08-218-2003中规定：d≤800mm，宜对称埋2根；800mm＜d≤2000mm，宜埋3根，按等边三角形布置；d＞2000mm，宜埋4根，按正方形布置。声测管应焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，且检测管之间应相互平行，底部和接头位置应严格密封，保证管外泥浆在1MPa压力下不会渗入管内[2]。

2.2 现场检测方式

超声波透射法检测混凝土灌注桩可分为三种方式：平测、斜测、扇形扫测。平测是最常用的方式，检测时把发射、接收换能器分别置于声测管底部，然后按一定的间距（一般为10cm）同步提升换能器，每提升一次进行一次测试，根据测点声波信号的时程曲线，读取声时、首波幅值，根据接收波形声时、波幅和主频等声学参数的相对变化及实测波形的形态，就可以对有效检测范围内的混凝土质量进行评判。测量时，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。

当对平测发现的异常点，如需进一步细测，还可以进行斜测和扇形扫测，以查明缺陷部位和范围。

斜测法是让发、收换能器保持一定的高差，在声测管内以相同步长同步升降进行测试。这种测试有利于发现桩身的水平状缺陷，如横截面断裂。由于径向换能器在垂直面上存在指向性，斜测时，发、收换能器水平测角不应大于30°。

扇形扫测是发射或接收换能器固定在某高程不动，另一只换能器逐点移动，测线呈扇形分布，以查明桩身局部缺陷的分布状况。由于扇形测量时各测点测距及角度不同，测点间只能采用换算的波速值进行比较，而波幅因与测距及方位角有关且非线性，各测点间没有相互可比性。采用扇形扫测时，两个换能器中点连线的水平夹角不宜大于40°。

采用超声波透射法检测桩身完整性时，受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa，主要是考虑声波法完整性检测不涉及强度的问题，也不会因检测导致桩身混凝土强度降低或破坏，混凝土内部缺陷一般也不会因时间的增长而明显改善，且对各种声学参数的判别采用的是相对比较法。

试验前应在声测管内灌满清水，声测管管顶高度应达到基桩面上。并用探锤进行通管，确保声测管无堵管、卡管现象发生[3]。

3 工程实例

3.1 工程实例1

奉贤某桥梁，基桩采用Φ800mm钻孔灌注桩，桩身混凝土设计强度为水下C30，设计桩长：台40m，墩43m，持力层为⑦2-1灰黄色粉砂层。设计要求声测管埋置比例为100%，低应变和超声波透射法检测比例各为50%。图1为2-3#桩的低应变实测曲线：

图1 2-3#桩低应变实测曲线

从低应变检测时域曲线来看，桩身基本看不出有什么缺陷，桩身较长无法检测到桩底反射波属正常现象，根据上海市《建筑基桩检测技术规程》DGJ08-218-2003可判为Ⅰ类桩。但根据现场监理的反馈，此根桩怀疑施工质量有问题，希望我们综合测试一下。考虑到桩长43m，长径比为53.75，而上海市《建筑基桩检测技术规程》DGJ08-218-2003规定低应变动测法40m以上的长桩宜按长径比不大于50控制，从实际检测经验来看，对于30m以上的桩，基本上只能检测出上部缺陷，中下部缺陷因为低应变激振能量有限，往往应力波尚未返回桩顶前，其能量已完全衰竭，无法对整根桩的完整性做出评价。考虑到该工程已经100%预埋声测管，对该桩进行超声波法检测，测得曲线如下：

图2 2-3#桩超声波实测曲线

从实测曲线来看，3个剖面基本上都在同一深度部位（31.20m～31.80m）出现波幅和声速明显异常，PSD值也有突变。其他部位的波幅和声速都在正常范围之内。根据上海市《建筑基桩检测技术规程》DGJ08-218-2003[4]可判为Ⅲ类桩，查阅施工记录发现当时浇注到此部位的时候，混凝土等待时间过长，在重新浇注混凝土时硬拔过导管。3个剖面的平均波速在3.934～4.042km/s，对于水下C30混凝土，波速在正常范围之内。

3.2 工程实例2

奉贤某桥梁，基桩采用Φ1000mm钻孔灌注桩，桩身混凝土设计强度为水下C30，设计桩长：台30m，墩33m，桩端进入⑦2粉砂层，其中1-9#桩低应变曲线如下：

图3 1-9#桩低应变实测曲线

从低应变检测时域曲线来看，6.5m左右位置有明显缺陷反射波，从其他桩的低应变检测曲线来看，都为Ⅰ类和Ⅱ类桩。为了进一步判明该桩缺陷的严重程度，对该桩进行超声波透射法检测，超声波实测曲线如下：

图4 1-9#桩超声波实测曲线

从超声波曲线来看，6.5m左右位置处波速和波幅都在正常范围之内，与低应变的结论差距比较大。经过加密检测、斜测和扇形扫测，都发现波幅和声速无异常。经过各方会商，同意进行高应变检测，经检测发现桩身在6.5m左右位置处的缺陷程度一般，拟合后的承载力也符合设计要求。综合分析，声测管3个剖面之间的混凝土质量应该没什么问题，鉴于低应变曲线显示6.5m处缺陷反应明显，估计可能在6.5m处桩身截面变小或声测管外周混凝土质量较差。

4 结束语

对灌注桩的检测，超声波透射法可对桩长范围内的各个截面的桩身质量情况进行检测，且不受长径比和桩长的限制。缺点是需要预埋声测管，且只能对声测管剖面之间的混凝土质量进行检测，对声测管外周的混凝土质量检测有其局限性。对有疑问的灌注桩，一定要综合考虑其他检测方法，或高应变，或钻芯，并查询地质勘查报告和施工记录，综合参考相近地质条件下的其他桩的质量情况，对疑问桩要慎之又慎，不仅需要考虑桩身完整性，也需要考虑单桩承载力。

参考文献

[1] 陈凡,徐天平,陈久照,等.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003:33.

[2] JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3] DGJ08-11-2010.地基基础设计规范[S].上海:上海市城乡建设和交通委员会,2010.

[4] DGJ08-218-2003.建筑基桩检测技术规程[S].上海:上海市建设和管理委员会,2003.

作者简介

沈鸿渠（1985－），男，浙江上虞人；现就职单位：上海建耘建设工程检测有限公司，研究方向：基桩检测，基坑监测，主体结构非破损检测。