声波透射法在冲孔灌注桩质量检测中的应用研究

2020-03-19白军营

港工技术 2020年1期

高頔，白军营

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

近年来，随着国内外港口码头工程建设的飞速发展，高桩码头的应用越来越普遍。冲孔灌注桩作为高桩码头中的一种常用桩基型式，其工程程序复杂，不确定因素颇多，施工难度大，在施工时易出现质量安全隐患。因此，能否通过完整性检测及时发现桩身缺陷、确定缺陷位置及性质，并准确地对其质量进行评价直接关系到码头工程的整体安全及其使用年限。

确定冲孔灌注桩的完整性有几种常用的测试方法。钻芯法具有可直观定性分析的优点，但受到钻孔位置及数量的限制，只能反映钻孔周边局部范围内的混凝土质量，且应用于超长桩和斜桩时会产生诸多困难。低应变法是当前被认为能较准确测定桩身缺陷的方法之一，但受到桩的尺寸效应、浅部盲区、多次反射叠加以及信号衰减等因素的限制，无法对桩身浅部缺陷、多个缺陷及深部或桩底缺陷进行判定[1]。而声波透射法作为一种无损检测方法，通过声波在混凝土中的传播速度、接收信号的振幅、频率和波形特征作为基本判据，评价桩身混凝土的质量，操作简单快捷，对缺陷的灵敏度高，定位准确，因此在灌注桩（特别是大直径、大长度灌注桩）的完整性检测中具有独特的优势[2]。

但是，由于混凝土属于集结型的复合材料，界面构成复杂，加之地质条件以及成桩工艺复杂等情况，在实际检测过程中声学参数往往会出现较大波动，很容易出现异常测点。因此，如何正确采集并分析现场试验数据、剔除非缺陷因素对结果产生的不利影响，从而正确地对缺陷性质和桩身完整性类别做出推断和解释，是工程检测人员所面临的现实挑战之一。

1 基本原理及检测方法

声波透射法以固体介质中弹性波的传播理论为基础，属于弹性波测试方法中的一种。它向混凝土介质发射并在一定距离上接收由其介质特性调制后的脉冲声波。通过采集和分析声波的声学参数，如声波在混凝土介质中的传播速度、波幅、频率、波形等，从而对混凝土构筑物的完整性做出评判。

图1 检测系统示意

当被用于桩的完整性测试时，具体方法如下：

1）下放待测桩钢筋笼之前，在其内侧绑扎若干根声测管作为检测通道（具体数量依桩径而定），各管需对称布置于钢筋笼内侧且相互保持平行。

2）试验前保持管内畅通，换能器探头可在管内自由升降，并以清水为耦合剂注满各声测管。

3）将声测管按一定顺序编号后以排列组合的方式两两一组形成检测剖面，在测试前还需在桩顶处测得各声测管外壁间的净距离并记录。

4）将超声波发射和接收探头分别下放至当前检测剖面所对应的声测管底部并通过电缆上的深度标识校核两者的位置。从桩底开始向上同步提升探头，在提升过程中保持两探头的高度差，以确保测试信号的稳定性。

5）依照一定次序，对各检测剖面进行检测。

6）使用专用数据处理软件综合分析接收信号的各种声学参数，确定桩身混凝土的缺陷位置、缺陷性质及桩身完整性类别。

2 检测数据分析及结果判定

2.1 声学参数与混凝土质量的关系

当声波在混凝土内部传播时，若混凝土质量均匀，则接收到的声学参数特征大致相同，如果遇到蜂窝、空洞、夹泥、离析等质量较差的部位，则会产生声波漫射，从而导致声波衰减、波幅减小、声时变长（声速降低）、波形畸变等，具体关系如表1所示。

表1 接收到的声学参数与混凝土质量间的关系

2.2 测试误差的消除

在声波透射法的现场测试中，各种声学参数的收集将受到许多非缺陷因素的影响，例如管内水浑浊、声测管变形、探头与管壁碰撞、声测管接管、混凝土龄期等[3]。

1）受施工活动影响，声测管内有时会混入杂质导致管内水变浑浊，这会明显增大声波衰减并延长传播时间，严重时甚至完全遮掩信号，从而影响桩身质量的判断。此外，当浑浊的水沉淀后会导致换能器探头无法到达管底。因此，在现场测试开始前应彻底冲洗声测管并保证管内水体的清洁。

2）在工程实践中，想要保证声测管之间绝对平行是很困难的，如果声测管的焊接、绑扎不牢固很容易发生倾斜、弯曲、翘曲。这将导致同一检测剖面中各测点间的测距差异很大，致使某些测点的测量声速显著偏离实际值。但由于声测管变形对声速-深度曲线形态产生的影响是渐变的（或分段渐变），且影响范围较大，因此，可以按曲线的大体趋势将其划分为若干段并进行分段拟合，并且在合并后得到一条与实测曲线总体趋势基本吻合的曲线方程。然后，基于桩顶管口间混凝土的实测声速值，修正其他测点处的声速值，从而得到测距修正后的声速-深度曲线。

3）超声波探头在提升过程中，换能器与声测管管壁间会不时发生碰撞，影响声波稳定，特别是在斜桩检测中，由于声测管沿钢筋笼倾斜放置，其内部碰撞发生的几率会更高，具体体现为检测得到的声速-深度曲线中会出现众多的声速异常点。同桩身缺陷信号一样，碰撞产生的异常信号对声速-深度曲线形态的影响也是突变的。但碰撞信号的首波起跳点通常会较正常信号明显缩短，而后部信号又归于正常，因此可以此为依据将其移除。

4）当超声波探头在提升过程中经过声测管接管位置时，会产生类似缺陷信号的反应，因此为避免误判缺陷必须在检测开始前了解声测管的安装细节。

5）实际检测结果表明，龄期很短的混凝土，其声学参数的稳定性较差，波幅不稳定。因此，为避免误判缺陷，工程测试应在符合龄期或强度要求的条件下进行。

2.3 桩身混凝土缺陷的综合判定

如何准确地利用试验过程中收集的各种声学参数来确定混凝土缺陷的性质和桩的完整性类别是声波透射法检测的最终目标。声速（或声时）、波幅、主频、波形等常用于判定混凝土缺陷的声学参数各自具有优势，也各有缺点。在工程实践中，既不能以声速作为判定缺陷的唯一标准，也不能将各种声学参数等同对待。混凝土是一种由多种介质集结而成的弹塑性复合材料，声速反映了混凝土材料的弹性性质，而波幅则与混凝土的弹塑性相关[4]。因此，对桩身混凝土质量的评判应采用以声速、波幅为主其他声学参数为辅的综合判定方法。

所谓综合判定方法不止局限于后期的检测数据分析，而是贯彻于检测过程的始终，因为现场检测过程本身也包含了综合分析的内容（如2.2节中提到的管内浑浊水的影响以及声测管接管位置的判断）。而在排除了现场检测因素及非缺陷因素的干扰后，即可通过声速、波幅等参量确定桩身缺陷的部位，推断缺陷类别。表2中列举的是一些桩身混凝土的常见缺陷及其与声学参数之间的关系。

但是，通过比较声速和波幅的相对变化来确定缺陷的方法属于相对比较测量法，因而缺陷的解释并不唯一。为了更准确地推断和解释缺陷的性质并确定桩的完整性类别，还必须要以工程场地内的勘察报告、灌注桩施工过程中的各项技术资料以及施工记录为佐证。例如：通过了解灌注桩的成孔方式、桩周地层岩性、终孔后至浇筑前的时长等资料可推断缺陷是否可能为桩身夹泥；通过了解地下水文条件、地下水水位、混凝土的浇灌方式及浇灌记录可推断缺陷是否可能为离析；通过了解桩身浇灌过程中是否发生过异常中断，可考虑缺陷是否可能是二次浇注面或断桩等。

总之，了解检测桩的施工工艺、施工过程并结合声波透射法的检测结果进行综合分析后，才能推定出缺陷的性质。

表2 桩身混凝土的常见缺陷及其与声学参数之间的关系

3 工程实例分析

深圳某集装箱码头为高桩梁板式结构，基桩桩型采用冲孔灌注桩，依据设计要求对该码头全部基桩采用声波透射法进行检测。检测仪器采用美国PDI公司生产的超声波跨孔检测仪（CHA），该仪器具备信号连续采集功能，可得到完整的桩身扫描图。如图2所示，各受检桩内均通长布置了4根钢制声测管作为检测通道，各管平均分布且相互平行的固定于钢筋笼内侧，试验开始前在管内注满清水作为耦合剂。现场测试使用平测法，两两声测管一组，将发射与接收探头分别下降至两管底部，从桩底开始同步提升并连续采集波形信号，在检测过程中需经常校核并调整两探头所处的高度[5]。

图2 受检桩声测管布置示意

其中码头5#泊位J结构段56号桩，桩型为水下冲孔灌注桩，桩长37.81 m，桩身直径Φ1 100 mm，混凝土标号C40。从现场各剖面的检测结果来看，该桩在距离桩顶36 m附近位置全断面存在声测异常区，此位置各项声测参数指标均出现明显异常，声速、波幅降低，且波幅下降幅度更大。考虑到缺陷所处位置的声学参数特征并结合施工单位提供的地质资料、成孔记录、浇筑记录及其他相关施工资料，初步判断该桩缺陷类型为桩身夹泥，缺陷位置位于桩截面中心略靠近声测管A管处。

为了验证测试结果，施工单位在桩的预估缺陷位置处钻芯。抽芯结果表明，预估缺陷位置的确发现了桩身存在夹泥现象（图 3），声波透射法得出的结论准确。经过与施工及建设单位多次商讨研究后决定对桩身缺陷位置进行高压水旋喷切割，清渣和高压注浆补强加固处理。注浆后又对该桩进行了二次检测，各异常检测指标的范围和程度明显减轻，复检结果合格。

在本工程中，采用声波透射法对冲孔灌注桩桩身进行完整性检测，准确地发现了施工质量问题并及时采取有效措施排除了安全隐患，有效控制并保证了工程质量。