超声波透射法在钻孔灌注桩完整性检测中的应用探讨

（漳州市交通建设工程质量检测中心， 福建 漳州 363005）

0 引言

近几年随着安全技术等级要求的不断提高，我市各交通建设项目的桥梁下部基础，除了个别小桥外，基本采用钻孔灌注桩结构。由于灌注桩施工属于隐蔽工程，其施工过程中受地质条件、机械设备、施工工艺、技术管理等多种因素的影响，容易出现缩径、夹泥、断桩、离析、桩底沉渣超过设计值等质量缺陷。在现行各种基桩完整性检测方法中，超声波透射法是一种经理论和实践证明极为有效的检测方法，在我市交通建设工程检测中的应用十分广泛，因此，探讨超声波透射法在钻孔灌注桩基桩完整性检测中的应用，具有较强的现实意义。

1 超声波透射法检测的原理

超声波透射法是在通过桩身中预埋的声测管，使用清水作为耦合剂，借助于换能器发射和接收超声波信号，将电能转变为机械能，使能量穿透砼灌注桩，接收换能器将接收到的超声波转变为电信号，通过接收到的超声波波速、波幅、频率、波形等参数判定砼桩的缺陷。

超声波在砼中的传播速度快慢，与砼密实程度有关，对于质地相同且距离相同的砼桩来说，波速越高则表明砼越密实，反之，则表明砼密实程度较差。如果砼中存在断层、蜂窝、夹泥、离析等情况，则破坏了砼的整体性，进而导致相应的声时偏长，声速下降。而超声波作为复频波，其高频波与低频波在缺陷界面会发生不同程度的折射、绕射现象，由于衰减程度不同，高频部分的波幅、振幅衰减较显著，主频率向低频 飘移，导致后续叠加波形而产生明显的畸变。通过计算机软件对接收换能器接收到的声学参数进行综合分析，即可对基桩完整性的类别进行判定。

2 超声波透射法检测数据的采集

2.1 做好检测前的准备工作

现场检测前准备应包括：

（1）收集待检基桩施工原始记录和设计资料，重点了解施工中的异常状况。

（2）笔者在实际工作中经常遇到声测管在桩底素砼段漏埋或钢筋笼浮笼的情况，导致无法完整地采集到全桩长的声测数据。因此在实际检测前，应检查施工方是否已按规范要求埋设声测管，同时应检查声测管埋设长度是否符合规范和设计要求，是否存在堵管现象。

（3）检测时间应满足规范规定的龄期要求。

（4）检查检测仪器的检定证书，确保其在有效期内，对计数滑轮进行自校，使仪器显示值与实际提升高度一致，为保持检测中的电源稳定，应避开干扰源。

2.2 数据的现场采集

对所检基桩的声测管进行编号，量取声测管外壁间距，测试时建议用提升方法进行检测，即将声波换能器下放至桩底，查看所测管间管口电缆线刻度标识是否一致。打开检测仪进入工作状态，对测点间间距进行设定(不大于250mm)，检测开始后，匀速同步提升收、发换能器，直至将换能器提升至桩顶，依此类推检测其他剖面。对信号异常部位，可采用水平加密，等差同步，扇形扫测等方法细测。

3 超声波透射法检测桩身缺陷的判定方法

检测钻孔灌注桩完整性的关键在于对现场检测数据的分析，通过分析和研究数据，对基桩的完整性进行判定。由超声波检测的原理不难发现，超声波声速、波幅、频率、波形是反映被测介质质量的重要指标，通过分析其变化情况，同时研究这些参数间的相关关系、综合运用，可以为基桩完整性的判定提供可靠的依据。

3.1 声速概率法判断砼桩缺陷

根据声波检测理论，在正常情况下，声时检测参数呈正态分布，当桩身存在缺陷时，缺陷处的检测数据必然偏离正态分布，因此，当使用声速判断缺陷时，可确认检测值是否符合正态分布，并确定区分正常值与异常值的标准差，进而从中找出异常值。这种方法是一种概率法判据，是判断某一测点的声速与平均值的偏离程度（如右下图）。同时也应注意当砼桩检测剖面的声速普遍较低时，其标准差将非常小，进而无法找出砼桩的异常值。

声速和声速平均值可下列公式进行计算：

其中，t—声时值

—测点数；

—第个测点的声速值

—砼声速平均值

声速判定依据：

当测试砼的声速值低于声速临界值时，该区域为缺陷可疑区域，即为声速临界值。在检测应用中，声速临界值计算标准差保证率系数通常采用2倍。即：

其中，—砼声速的平均值

—砼声速标准差。

3.2 波幅判据混凝土缺陷方法

超声波波幅衰减与混凝土质量有着显著的相关性，衰减程度越大，说明缺陷越严重，是判断砼内部质量的重要声学参数之一。在应用实践中，以波幅平均值-6dB作为波幅临界值，当实际测试值低于临界值时，可将该区域作为可疑缺陷区。

3.3 PSD判据砼缺陷方法

在实际检测中，由于多种因素的影响，导致基桩砼的均匀性存在较大的差异，因此，超声波的声时也相对离散，且钢筋笼扭曲等方面的影响，无法保证声测管是平行的，有可能存在声测管位移的现象，进而导致实际测量时声时检测值较理论值偏大或偏小，针对这一问题，可采用PSD法判据。

其中，为第i、第i-1个测点的声时值为第i个测点的深度值(m)。

PSD判据方法以常用的数理统计方法求出平均声时，利用声时—深度线相邻两点之间的斜率与声时差的乘积来判断可疑缺陷点，故PSD值对界面变化明显的局部缺陷十分敏感。同时，PSD判据方法取决于相邻测点的声时差，因此，PSD判据对砼不均匀、声测管偏位等非缺陷引起的声时变化，基本上不反映，有效保证了检测的准确性。同时，在实际检测中还应注意，当砼桩相对较为密实但低强，或者当相邻测点之间都存在缺陷时，PSD曲线将无法有效反映出缺陷，需要结合声时、波幅进行综合判定。

4 工程实例分析

在工程实践中，运用超声波透射法检测范围和数据精度较高的优点，根据三种判据法结合其他参数综合判断，可有效判定桩身缺陷。以下基桩检测时采用ZBL-520型非金属声波仪，仪器参数设置符合《公路工程基桩动测技术规程》相关要求。

例1漳州互通增设出入口改造工程A匝道桥24-1号基桩，该桩设计长度为46.05米，其设计强度为C30，设计直径为1.5米，依设计要求，桩内布置了三根声测管，检测时龄期已超过28天，经超声波透射法检测，发现该桩存在多处缺陷，其中2-3剖面及1-2剖面在桩顶往下2.65米处至3.65米处多个测点声速值及波幅值明显小于临界值，PSD值突变（见图 1、表 1），波形与正常测点相比波幅明显下降，主频大幅度漂移，后续波幅度也明显降低（见图2）。在2-3剖面桩顶往下22.65米处声速值及波幅值明显下降，1-2剖面处相同位置声速值及波幅值略有下降，实测波形首波幅值明显下降，但后续波仍有一定幅度（见图3）。根据检测规范可判定该桩为Ⅲ类桩，桩身质量不满足设计及施工要求。该桩在声测完成后，经开挖及钻芯法进一步验证，发现浅部存在露筋，22.65米处2-3剖面芯样存在夹泥，其他两剖面芯样正常。

图1 全桩身剖面深度－声速、波幅、PSD曲线图

表1 浅部2.05至4.05米，22.05至23.05范围内三剖面深度－声波、波幅、PSD采样数据

幅、PSD采样数据（本剖面声速平均值为3.854km/s，波幅平均值为105.47dB,声速临界值为3.593km/s，波幅临界值为99.47dB）幅、PSD采样数据（本剖面声速平均值为4.053km/s，波幅平均值为105.62dB,声速临界值为3.706k1m/s，波幅临界值为99.62dB）幅、PSD 采样数 据（本剖面声速平均值为4.033km/s，波幅平均值为105.50dB,声速临界值为3.455km/s，波幅临界值为99.50dB）深度（m）波速（km/s）波幅(dB)PSD(us^2/cm)波速（km/s）波幅(dB)PSD(us^2/cm)波速（km/s）波幅(dB)PSD(us^2/cm)2.05 3.814 104.44 0.008 4.069 98.59 0.800 3.853 104.43 0.800 2.25 3.820 104.44 6.272 3.996 102.89 10.952 3.788 104.27 0.200 2.45 3.647 99.88 0.200 3.750 97.87 2.888 3.820 103.22 0.288 2.65 3.617 98.24 2.048 3.635 99.88 0.200 3.782 103.04 0.288 2.85 3.527 98.59 1.800 3.664 98.59 0.128 3.820 106.04 0.072 3.05 3.612 98.93 0.968 3.689 98.24 23.328 3.801 104.59 0.648 3.25 3.676 98.59 51.200 4.047 99.57 156.800 3.859 102.45 0.200 3.45 3.251 96.65 8.712 3.233 89.72 30.752 3.893 105.05 0.512 3.65 3.103 87.53 109.512 3.549 86.19 48.672 3.840 105.63 1.152 3.85 3.701 102.45 2.888 4.047 105.12 0.968 3.763 102.84 0.072 4.05 3.820 103.30 0.648 4.128 105.28 1.152 3.782 102.84 0.072 4.25 3.879 104.95 0.032 4.039 103.30 0.032 3.763 102.04 0.072 22.25 3.617 101.76 0.008 3.782 105.29 0.008 4.151 104.59 0.392 22.45 3.612 103.50 1.152 3.775 105.46 1.352 4.098 102.04 0.000 22.65 3.543 93.55 6.272 3.695 103.52 0.392 4.098 103.22 0.648 22.85 3.707 106.75 0.288 3.738 106.90 0.968 4.032 104.10 0.512 23.05 3.670 103.30 0.008 3.807 107.61 0.072 4.091 104.43 0.128

图2 浅部部份异常点处波形图

图3 剖面22.65米处异常点波形图

例2 厦成高速漳州段A6合同段B匝道桥4-2号基桩，该桩设计长度为21.11米，其设计强度为C25，设计直径为1.2米，根据设计要求，桩内布置了三根声测管，检测时龄期已超过14天，经超声波透射法检测，发现2-3剖面在0.05米至1.25米范围内声速略有下降，波幅明显的降低。1-3剖面在0.05米至0.65米范围内声速略有下降，波幅明显偏小。1-2剖面在0.65米处声速明显偏小，波幅偏小。部份声速值及波幅值低于临界值，PSD值有变大（见图4、表 2），异常点处首波幅值明显下降（见图5）。经相关参数综合判定，疑似桩身浅部存在砼离析，经开挖验证，发现浅部砼较为松散，3号管处更为明显（见图6），符合判断。

图4 全桩身剖面深度－声速、波幅、PSD曲线图

表2 浅部2.45米范围内三剖面深度－声波、波幅、PSD采样数据

5 结语

运用超声波透射法检测钻孔灌注桩基桩完整性，具有成本适中，检测速度较快，对缺陷位置、类型、性质判定客观、准确的特点，是一种行之有效的无损检测方法。同时也应注意超声波透射法一些不足，例如无法判定基桩持力情况，对声测管外砼存在检测盲区等，实际检测过程中对有疑问基桩可结合其他检测方法进一步验证，相信伴随着检测仪器精度的提高及检测人员实践经验的不断积累，超声波透射法将会有更好的市场应用前景。

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