超声波透射法在桥梁桩身完整性检测中的应用
2021-01-28李燕
李 燕
(山西交通控股集团有限公司晋城高速公路分公司，山西 晋城 048000)
1 超声波透射法检测原理
超声波透射法适用于桩径在0.8 m以上的钢筋混凝土桩基完整性检测。超声波属于弹性波，检测中将混凝土介质看作是弹性体，声波在桩基内部传播可以看作是弹性波传播。超声波通过发生探头发射出去，通过水的耦合作用传递到声测管，进一步传递到混凝土介质中，最后到达声测管的接收端。通过接受换能器接受声波信号，转化为电信号，最后将电信号传递到超声检测装置。
如果混凝土内部缺陷，产生的不连续界面会阻碍声波的传递，从而产生发生绕射与散射，造成声波能量损失。若桩基混凝土内部存在孔洞，声波传递进去会产生散射或绕射，声时延长，振幅与波速都会产生衰减。通过声波的发出时间和达到时间，结合声波的频率、波形畸变程度和能量衰减情况计算检测范围内的混凝土声学参数。通过分析不同检测剖面和不同高度的声波特征的检测结果进行分析处理，可确定桩基混凝土的强度，缺陷的性质和空间位置。
2 桩基完整性检测
2.1 超声波透射法检测方法
由于受到桩基内部结构和外部环境的影响，桩基在施工过程中可能出现很多质量缺陷。根据弹塑性介质中波动理论，超声波检测结果可以通过混凝土内部超声波波速和振幅的变化确定桩基的完整性，超声波透射法应力波波速计算公式为
式中：E—介质的动态弹性模量；ρ—混凝土密度；μ—泊桑比。
桩基完整性检测的理论依据是超声波在桩基混凝土的传播参数与混凝土的物理力学性能直接相关，可通过分析确定桩基缺陷的性质和位置。超声波的传播参数包括声时、声速、波幅、衰减系数等，当桩基内部混凝土均匀、密实时，传播系数基本保持一致。当混凝土存在缺陷时，超声波会在缺陷部位产生绕射、反射、衰减，导致传播参数产生变化。采用高精度的超声波检测仪，可准确记录超声波的传播参数的变化情况，根据声波检测结果可对桩基完整性进行判定。
2.2 声测管布置
超声波透射法进行桩基完整性检查是，需要在桩基布置声测管，声测管的数量与桩径有关，当桩径D≤750 mm时，声测管数量为2根；当桩径750
图1 声测管布置示意图
采用超声波透射法对桩基完整性进行检测时，从桩底开始每隔一定高度选取一个剖面进行检测，且满足发射与接收换能器累积高差不得超过2 cm。检测时如发现读数异常，应加密测点，进行校正。
2.3 桩身完整性判定标准
根据超声波传播参数的基本特征，可对桩身完整性进行判定，根据超声波波速、波幅情况，可将桩基分为以下四类。
(1)Ⅰ类桩。Ⅰ类桩桩基超声波检测结果显示波速、波幅值均高于临界值，波形正常，各检测断面声学参数无异常，说明桩基完整无缺陷。
(2)Ⅱ类桩。这类桩超声波检测结果显示波形基本正常，个别波速、波幅略小于临界值，个别检测断面声学参数存在异常，说明桩基局部存在轻微缺陷，不影响桩基的承载力，可以正常使用。
(3)Ⅲ类桩。这类桩超声波检测结果中波速变化不严重，但检测断面存在多个测点波速、波幅小于临界值的情况，且存在两个或两个以上检测剖面在同一位置的声学参数存在异常，说明桩基局部存在较严重的缺陷，会降低桩基承载力，需要进行处治后方可使用。
(4)IV类桩。这类桩超声波检测结果显示波形出现严重畸形，且某一个检测剖面出现连续测点明显低于临界值，且且存在两个或两个以上检测剖面在同一位置的声学参数存在明显异常，首波波速很低，甚至检测不到，波速曲线接近直线，说明桩基存在严重缺陷，不能正常使用，应当做报废处理。
3 桩基完整性检测分析
3.1 案例
某特大桥设计采用(20×25)m预应力小箱梁，桩基础施工采用钻孔灌注桩工艺。桥梁桩基共计44根，施工区域工程地质情况良好。钻孔灌注桩设计桩径1 500 mm，桩身采用C30混凝土，桩长15 m。为了便于检测桩基施工质量，施工中在桩身埋设3根声测管，呈等边三角形布置。桩身采用超声波透射法进行检测，每隔500 mm检测一次，选取部分桩基检测结果进行分析。选取桩基三个剖面的检测结果进行分析，确定桩基检测的完整性。
3.2 检测结果分析
图2 桩基2～1剖面超声波检测图
选取2#、15#、26#桩基的检测结果进行分析，对应剖面为2～1、15～2、26～2，超声波检测结果如图2～图4所示。通过对三个剖面检测结果进行分析，得出桩基剖面声学参数检测结果如表1。
图3 桩基15～2剖面超声波检测图
图4 桩基26-2剖面超声波检测图
表1 桩基剖面声学参数检测结果
分析表1数据和图2～图4剖面超声波检测图，得出三个剖面声速检测的平均值分别为5.156 km/s、5.267 km/s、4.879 km/s，幅值平均值分别为119.650 dB、120.064 dB、120.120 dB，测量值均大于临界值，处于正常的取值范围，各检测剖面声速、幅值均匀，且不存在缺陷，说明桩基完整性良好，桩基承载力足够，判定为Ⅰ类桩。
4 结 语
超声波透射法可通过超声波在桩基内部传递的的波速、幅值等参数检测桩基质量，是公路桥梁桩基完整性检测的常用方法之一。超声波透射法检测设备具有较高的灵敏度，且检测结果也较准确。通过全面阐述超声波透射法的检测原理，分析桩基完整性的判断依据，并结合工程案例分析三个桩基检测断面超声波检测图和相关数据，得出各检测剖面声速测量值均大于临界值，未发现桩基存在缺陷，判定为Ⅰ类桩，说明桩基完整性良好，承载力足够。
