声波透射法在桩基检测中的应用

吴紫盛

（福建省永正工程质量检测有限公司，福建 福州 350001）

在建筑工程施工中，受地质条件、施工技术和施工管理等因素影响，桩基础施工质量存在一定的不确定性，要求建筑施工单位完成桩基础施工后进行质量检测，以保证建筑桩基础施工质量满足相关要求。常见的桩基检测技术包括钻孔取芯法、超声波检测法、低应变反射波法等。其中，钻孔取芯法需要破坏桩基原有结构，且检测效率较低。低应变反射法与超声波透射法原理基本一致，但低应变反射法采用的是几百赫兹的低频声波脉冲，不能测定桩长和混凝土强度，只能测定大致位置出现阻抗变化截面。而超声波透射法声波主频高达3 050Hz，能够测定桩身各深度截面混凝土波速情况，以此确定不同深度混凝土强度。结合不同桩基检测方法特点，选择合理、科学、准确的桩基检测技术尤为关键。本文结合翡利公馆建筑工程项目，深入探究超声波探测技术在桩基检测中的应用，以期为建筑工程施工和验收提供有益的参考。

1 超声波透射检测原理

超声波检测是一种非破坏性检测技术，即检测过程中不会破坏被测物体原结构完整性。超声波透射法通过在桩施工中预埋声测管，借助换能器发射固定频率的超声波，将电能转换为机械能，使超声波能量沿竖向方向穿透混凝土桩，换能器接收到超声波后转换为电信号，并在检测仪上显示波速、波幅（如图1），以此作为混凝土桩身缺陷判断依据。

由于超声波在不同介质中的传播特性，超声波传播速度、波形变化与桩身混凝土介质密实度有关，如超声波波形、波幅变化较小，则表明混凝土桩身密实；反之，则表明混凝土桩身密实度较差；如出现畸变波峰，则表明桩身存在夹层、孔洞、缝隙等情况。

图1 超声波透射法检测示意图

2 工程概况

本工程为福州翡利公馆1#、3#、5#楼，工程地上部分20层，地下2层，主体为框架剪力墙结构。基础结构为预应力管桩、冲孔灌注桩基础，桩身混凝土强度等级为C80，Ф900桩径桩164根，桩基持力层为卵石层，桩长设计深度为50m。本工程中，根据工程检查计划，抽检桩数量为17根，检出率为10.36%。

3 超声波透射检测技术应用研究

3.1 声测管材料与尺寸

声测管是超声波透射的径向换能通道，安装在桩基础内部，在埋设过程中易受到混凝土浇筑影响而产生变形、位移等问题。声测管材质以金属波纹管和塑料管最为常见，而塑料管自身温度系数与混凝土存在较大的差异，在桩基础浇筑过程中容易产生水化热反应，进而造成塑料声测管与混凝土之间出现裂缝，影响超声波透射结果准确性。同时，由于桩基础为混凝土钢筋材质，塑料管与钢筋笼材质不同，绑扎密实度较低，且钢筋笼吊装时会产生较大作用力，容易出现声测管变形、位移问题。因此，在超声波透射检测技术应用中，通常选用金属波纹管作为声测管材料。选择尺寸时，为便于换能器上下正常移动，声测管直径应大于换能器10mm左右，通常选择35～50mm的金属波纹管。本工程中选择的波纹管直径为50mm，能够满足换能器上下移动要求。

3.2 声测管埋设要求

声测管数量直接影响桩基础超声波检测剖面个数和检测精度。根据超声波透射检测原理，声测管数量越多，其检测精度越高，但相应人力、物力消耗也越大，增加了超声波检测成本。因此，在实际检测中，一般直径＜800mm的桩埋设2个声测管；800mm＜直径＜2 000mm的桩埋设3个声测管，并按等边三角形布设。本工程中，桩基础直径为900mm，声测管按等边三角形埋设。埋设施工时，声测管按竖向方向与钢筋笼点焊固定，并与竖向钢筋满焊焊接，确保声测管与钢筋笼紧密连接，防止声测管在混凝土浇筑中自由位移和倾斜。

3.3 混凝土龄期的选择

完成声测管埋设和混凝土浇筑后，混凝土强度随时间增长逐渐增大，桩基介质稳定性不断增强。如果检测时间过早，桩混凝土中含有大量水分，将导致超声波透射时出现严重衰减，影响检测结果的准确性。结合工程技术规范和工程检测经验，本工程中，根据混凝土试块强度监测结果，当桩基混凝土强度达到设计值70%且≥15MPa时进行检测，桩混凝土龄期不小于14d。

3.4 检测方式

在超声波透射检测中，常见的检测方法有桩内跨孔透射法、桩外孔透射法和桩内单孔透射法（如图2）。其中，桩内单孔透射主要针对桩内只有一个声测通道的情况；桩外孔透射法主要针对施工完成且桩内无声测管的情况；桩内跨孔透射法是针对预埋声测管的桩基础检测。三种检测方式中，桩内跨孔透射检测方法结果最为准确、成熟，应用也最为广泛。本工程中，先在声测管内注满清水，并将3个接收换能器依次编号，按顺时针方向置于3根声测管中，下放至桩底，自桩底至桩顶均匀同步提升，发射换能器发出超声波经桩身混凝土传播后，由接收换能器将声波信号转换为电信号传送至超声仪，经超声仪处理后在显示器上显示不同的波形信号。

桩内跨孔透射检测，根据换能器相对高度的变化，采用平测、斜测、交叉斜测、扇形扫描测等方法进行全面检测。本工程进行超声波检测时采用平测方法进行检测（如图3），并根据《建筑桩基检测技术规范》（JGJ 106-2003）按间距250mm进行等距平测。检测过程中，换能器提升速度保持在40 cm/s，如换能器提升速度过快易出现漏波或畸形波等问题。针对局部波形异常的情况，为进一步确认混凝土桩基础缺陷，采用斜测和扇形测方法进行确认，斜测时将发、收换能器错开1～2m距离，斜测角取30°～45°，测量步距为100～200mm。通过斜测、扇形测两种方式对桩基础缺陷性质以及严重情况进行进一步判断。

图2 超声波透射检测方法

图3 平测、斜测、扇形检测方法示意图

4 检测数据处理与结果分析

4.1 检测数据处理

4.1.1 声速判据

在采用声速作为判断依据时，以实测混凝土声速值低于声速临界值作为可疑缺陷区域。即表示为：

公式1中，V 为第i个测点声速值，km/s；

VD为声速临界值，km/s。

声速临界值可通过正常混凝土声速平均值与2倍声速标准差的差值作为声速临界值。

4.1.2 波幅判据

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）规定，以波幅平均值减去6dB作为波幅临界值，当实测波幅小于波幅临界值时作为可疑缺陷区域。

公式2中，AD为波幅临界值，dB；

Am为波幅平均值，dB；

公式3中，Ai为第i个测点的相对波幅值，dB。

4.1.3 PSD判据

PSD判断是一种辅助桩基质量检测方法，也称为斜率法，即当声波经过缺陷位置区域时，声速变小、声时发生畸变、PSD曲线出现波动。根据该原理，当PSD值出现畸变时，即表示该区域为可疑缺陷区域。

公式4中，t为测点声时值，z为测点深度。

4.2 桩身完整性判断依据

根据检测技术规范和检测工程经验，桩身完整性判断可按以下标准进行划分（如表1）。

4.3 检查结果分析

根据检测结果数据处理与分析，本工程抽检的17根桩均为Ⅰ类桩，桩身完整性良好，波形、波幅无畸变、无夹泥、断桩等问题。以1-33#桩为例，如果A-B、A-C、B-C三个剖面声速实测值均大于声速临界值，表明桩身介质均匀，无夹泥、沉渣、断桩等问题；如果波幅均大于波幅临界值，表明超声波在桩内传播均匀，无局部夹泥、局部断桩和桩底沉渣等问题。

表1 桩身完整性判断依据

图4 单桩声波、声幅检测结果

表2 单桩声波、声幅检测数据结果

根据PSD判据，该桩PSD曲线无显著变化，表明该桩声速、声时无显著变化，桩身完整性良好，无显著缺陷情况（见图4、表2）。

5 结语

超声波检测技术是一种快速、准确的无损检测技术，广泛应用于桩基检测中。在具体工程检查中，检测人员应重点加强声测管埋设、声测方法和处理检测数据等方面的研究和应用，保证检测结果的真实性与准确性。