声波透射法基桩检测中管斜修正方法研究应用

（甘肃智通科技工程检测咨询有限公司，甘肃 兰州 730050）

0 前言

桩基础凭借承载能力高、抗震性能好等优越性越来越广泛地应用到工程建设中，成为工程建设中重要的基础形式之一。桩基础在施工过程中受多种因素的影响，施工质量控制难度大。桩基础是一种隐蔽工程，深度上一般有数米至数十米，超长桩更是上百米，往往桩身大部分分布在地面及地下水位以下，施工时许多工序在水面或泥浆面以下完成，不具备肉眼可视、人工近距离操作的条件，且施工工序繁多，质量控制关键点多，极易产生多种桩身缺陷，比如桩身断裂、夹层、缩颈、扩颈、混凝土离析、混凝土不密实、桩底沉渣等，因此，基桩的质量检测十分重要。

声波透射法是目前基桩完整性检测中使用最广泛的方法之一，具有操作简便、适用范围广、数据处理方便简捷、检测结果准确可靠的优点，但在实际应用过程中存在多种影响因素。本文就管斜影响因素及修正方法进行探究。

1 管斜修正方法研究及应用

1.1 声测管的布设及影响因素

声波透射法的主要原理是机械波在混凝土介质中传播经各种声学界面时发生反射、折射、绕射等现象，机械波的能量衰减，衰减的多少则与桩身混凝土的质量相关。

利用声波透射法检测桩身完整性时，需提前在桩身混凝土中埋设声测管作为声波换能器进入桩身内部的通道，发射、接受换能器分别置于桩身内相互平行声测管的同一高度，由检波器获得经混凝土传播后的声波信号可分析桩身的质量好坏，声测管的分布直接影响声波信号所携带的声学参数，进而影响检测结果的准确度。

《公路工程基桩动测技术规程》要求声测管宜采用金属管，声测管应牢固焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，且互相平行、定位准确，并埋设至桩底，管口宜高出桩顶面300mm以上[1]。

在桩基础施工过程中，声测管的布设受到多种因素的影响，很难保证声测管竖向平行布设，主要有声测管自身刚度不足，混凝土灌注过程中承受压力太大时发生弹性变形，接头处理不当导致相邻两段声测管不能顺直连接，钢筋笼分段吊装施工时声测管伴随钢筋笼发生形变，声测管没有绑扎固定而脱离钢筋笼纵向主筋发生形变等多种原因，这些原因大多在工程实践中难以避免。

1.2 管斜的影响

在灌注桩的声波检测中，声测管管斜对基桩检测数据的影响主要体现在声速实测值上。在任意测点i的声速实测值vTi是由该测点发射和接受换能器之间的距离li和声波在发射接收换能器之间的传播时间ti计算确定，即：

在实际检测中，并不能实际测量获取，只能测量桩顶处两声测管外壁间的距离l0，并用来计算i测点的声速，表示为vi，即：

因此vi和vn之间存在如下关系：

当同一检测剖面的两声测管定位准确且保持平行时，即任意测点的声测管外壁间间距相同,则有vi=vTi。

在实际工程施工过程中，声测管发生管斜所影响的同一检测剖面内各测点的测距在不同高度并不等于桩顶量测的管距，即vi≠vTi，计算获得i测点的声速并不代表i测点的实际声速。

声速是分析桩身质量的一个重要参数，在《公路工程基桩动测技术规程》中对声速的分析判断基于概率法，剖面声速异常判断概率统计时采用“单边剔除法”，通过混凝土声速的低限值和混凝土试件的声速平均值对概率法判据值作合理限定，以得到该剖面的声速异常判断值，没有缺陷的桩身混凝土声速检测值经统计符合正态分布，而有缺陷部分的桩身混凝土声速检测值会低于甚至严重低于声速平均值，导致统计声速检测值不符合正态分布。规范明确要求必须采用正常混凝土的声速平均值及标准差来计算临界值，需要对声速检测值中的异常小值进行剔除，否则将影响声速平均值的计算，具体表现为异常小值越多，声速平均值越小，声速临界值也越小，容易造成漏判。在声测管管斜时，基于此方法计算所得的临界值将发生一定偏离，影响基桩完整性检测结果分析。

1.3 管斜修正原理

在桩身不同位置声测管管斜对曲线v（z）的影响和桩身混凝土质量造成vTi波动对曲线v（z）的影响是有差别的。

用与深度z相关的函数表示桩身混凝土实测声速、计算声速及两声测管外壁之间间距的关系：

当声测管倾斜时，由于自身存在一定刚度，不会发生大角度弯曲变形，深度上相邻两测点声测管外壁之间间距变化不会很大，表现在v（z）曲线上是一个缓变的光滑曲线，即是可导函数，并且这种影响在一定深度范围内表现为同一趋势，即波速连续增大或连续减小；当桩身混凝土存在明显缺陷时，缺陷边缘处不存在，v（z）曲线会发生突变和明显偏离平均波速的变化趋势，且对应的波幅会明显降低，由此区分是声测管弯曲还是桩身混凝土缺陷。

图1 斜管修正原理示意图

1.4 管斜修正方法

1）在v（z）曲线上，曲线平直且声速在平均值上下波动的部分为声测管没有倾斜部分，不用修正，选取v（z）发生明显弯曲倾斜的部分，并以转折点为分界点将曲线分为若干段。

2）对每段v（z）曲线，求一拟合曲线f（z）与实测v（z）曲线的变化趋势和形态基本吻合，使得:

则深度Z测点处声测管间距可修正为:

经测距修正后的各测点声速可表示为:

3）绘制经过管斜修正后的v'（z）曲线，需要注意的是在求最佳拟合曲线时对明显偏离v（z）曲线的测点应进行剔除。

1.5 管斜v修正应用实例

某桥梁工程采用钻孔灌注桩，桩长12.0m，桩径1800mm,混凝土设计强度等级C30，预埋4 根声测管，其中1-4剖面在桩顶量测的声测管距为1050mm，实测声速-深度曲线如图2（a）所示，从曲线可见，曲线以6.0m处为转折点向右倾斜，即波速呈逐渐增大趋势，桩顶测点声速4.375km/s，桩底测点声速6.140km/s，严重偏离C30混凝土的正常波速取值，因此须对该剖面进行管斜修正，否则声速平均值、临界值指标对判断桩身完整性将失去实际意义。

根据上述方法，选取拟合直线方程f（z）对深度6.0m以下声速进行管斜修正:

6.0m以下测点修正后声测管距及声速重新计算:

修正后的声速-深度曲线如图2（b）所示。

由管斜修正前后声速-深度曲线及表1管斜修正前后声速对比可知，管斜修正前，声速在不同深度段发生较大程度变化，且9.6～10.0m范围测点波速相对偏低但仍大于临界值，波幅明显下降，这是由于声测管倾斜造成的声参量偏离真实值的影响。经管斜修正后，桩底测点声速为4.412km/s，回归C30混凝土声速正常取值范围，9.6～10.0m范围内测点声速低于临界值，结合该范围测点波幅明显降低可确定该处存在桩身缺陷。

表1 修正前后声速对比

由此可见，如不对声测管倾斜仔细甄别并进行合理修正，可能对桩身完整性缺陷造成漏判。

图2 管斜修正实例

2 结语

基桩检测受检测仪器设备性能、现场试验条件和人员检测水平等多方面的影响[2]，声波透射法具有其独特的优势，但也具有一定的局限性，声测管管斜不平行在基桩施工中难以避免。本文针对这一问题进行了探究并提出了修正方法，并将此方法应用在工程桩实际检测中，对修正前后的波速实测值、临界值等进行比对分析可知，修正公式和修正方法可以有效消除管斜对检测数据的影响，为桩基完整性检测工作提供帮助，避免误判和漏判。