邢清干渠调压塔桩身完整性声透法检测

沈 立 森

(石家庄职业技术学院 建筑工程系，河北 石家庄 050081)

桩基础是目前建筑施工中最常用的基础形式之一.其中，混凝土灌注桩在工程中的应用最为广泛，尤其是直径超过800 mm的大直径桩几乎全部为混凝土灌注桩.近年来，我国平均每年用桩量在300万根以上[1].桩基础施工受工程地质、基础结构形式、施工技术水平等多方面因素的影响，具有复杂性和隐蔽性，一旦出现缩径、沉渣过厚、断桩、混凝土不密实等问题，将难以进行修复和处理，因此，桩基的完整性检测工作是确保工程质量安全和稳定运行的关键.

声透法，也称声波透射法，是目前进行桩基完整性检测的重要手段之一，是一种典型的超声波无损检测方法，具有检测速度快，操作简便，准确度高等特点，其主要目的是通过缺陷类型、位置及范围，来划定桩基的完整性类别，以判断竖向荷载能否沿桩身进行有效传递[2].国内外学者不断对声波透射法进行深入研究.1949年，Leslide和Chessman首次将超声波检测法运用到混凝土结构中，引起了工程界的极大关注[3]；1970年，法国房屋建筑和公共工程实验研究中心开始将声波透射法应用于桩基完整性检测方面[4]；1984年，声波透射法首次成功运用于我国郑州黄河大桥的钻孔灌注桩完整性检测中，并取得了良好效果，次年开始在全国逐步推广[2]；文献[5]以岩溶区基桩质量检测实践为背景，深入对比了低应变法和声波透射法的应用情况；文献[6]通过声透法在蒙华铁路基桩检测中的应用实例，分析了声波透射法的几种缺陷，采用低应变法和钻芯法辅助验证了声波透射法的可靠性.本文结合邢清干渠调压塔工程实际，采用声透法对调压塔桩身的完整性进行检测.

1 工程概况和声透法的检测原理

1.1 工程概况

南水北调邢清干渠作为我国的重大民生项目，具有跨域范围广，受众人数多，供水任务重等特点，其工程质量直接影响着人们的生活用水安全，承担着邢台市至清河县沿线11个县市、13个供水目标的输水任务，全长共计168 km.调压塔位于邢清干渠第八标段，高30 m，位于广宗县前枣科村东南约2 km处，在输水线路中起着降低下游管压，削弱水流冲击，保护管线安全的枢纽作用，是邢清干渠沿线上至关重要的水工建筑物.调压井下部的桩基承台截面尺寸大，钢筋密度高，设计要求严，需通过49根桩径为1000 mm、桩长为45 m的大直径深长钻孔灌注桩作为基础支撑，其布桩形式为正方形，桩间距为3.0 m，桩身混凝土设计强度为C25，桩基平面布置图见图1.

图1 桩基平面布置图

1.2 声透法的检测原理

声透法的检测原理是，将换能器通过预埋钢管插入桩体内部，利用超声波信号对桩内的各个剖面进行逐点或逐段检测，通过收集波形数据，结合建筑基桩检测技术规范的相关规定，计算桩身混凝土的声速、波幅、PSD值(声时—深度曲线上相邻两点连线的斜率与声时差的乘积)等来判定桩的完整性类别.检测原理示意图见图2.

图2 声透法检测原理示意图

2 桩身完整性质量判据

常用的桩身完整性质量判据有3种，分别是声速值、波幅和PSD值.

2.1 声速值判据

在换能器拉升过程中，仪器会收集一系列的声速值.声速值越大，混凝土强度越高.根据混凝土抗压强度试验可知，混凝土强度变化服从正态分布规律，从相关性角度考虑，声速值也应该服从正态分布规律，因此，通过声速值是否异常来判断混凝土强度是否达标是可行的.声速值判别方法的关键在于声速异常判断临界值的确定，共分8个步骤.

第一步，选定1个检测剖面，将各测点的声速值按从大到小进行排序，构成声速数据列.

v1≥v2≥…≥vn-1≥vn

(1)

第二步，逐一剔除偏高和偏低的声速值，将剩余的数据列确定为信任区间[vi，vj].

第三步，计算信任区间的平均声速值vm、信任区间内各测点的声速值vk、标准差sx和变异系数cv.

(2)

(3)

(4)

第四步，计算声速异常小值判断值v01和异常大值判断值v02.

v01=vm-λsx

(5)

v02=vm+λsx

(6)

公式(5)和(6)中，λ为与统计数据个数对应的系数.

第五步，同时判断vj≥v01和vi≤v02是否成立.若vj≥v01不成立，则将j减1；若vj≤v02不成立，则将i加1，返回第二步，重新确定新的信任区间.当vj≥v01和vi≤v02同时成立时，继续下一步(第六步).

第六步，确定声速异常判断概率统计值v0.

(7)

第七步，确定声速异常判断临界值vc.

(8)

公式(8)中，vL为桩身混凝土声速低限值；vp为同条件养护下的混凝土试件声速平均值.

声速异常判断临界值确定后，即可进行声速异常判定. 当vk≤vc时，声速值异常；当vk>vc时，声速值正常.声速值判别流程图见图3.

图3 声速值判别流程图

声速值判别采用双边剔除法，综合考虑了概率统计和混凝土声速的正常取值范围，使得声速异常判断临界值的确定更加合理.

2.2 波幅判据

波幅衰减值受桩身混凝土不均匀性、声波传播路径、点源距离等多种因素的影响，对大直径混凝土灌注桩而言，声测管间距越大，波幅的分散性越明显；同时还受仪器、传感器灵敏度和发射能量的影响.因此，波幅判据采用单剖面判据，选择当信号首波幅衰减值等于对应检测剖面所有信号首波幅衰减平均值的一半时的波幅分贝数作为临界值，异常波幅判定公式为：

Ap(j)

(9)

公式(9)中，Ap(j)为第j检测剖面的波幅值，单位为dB；Am(j)为第j检测剖面波幅平均值，单位为dB.

2.3 PSD值判据

当PSD值发生突变时，宜结合波幅变化情况进行异常声测线判定.同时，经声时差加权后的PSD判据图更能突出桩身存在缺陷时的声测线，并在一定程度上减小声测钢管不平行或混凝土不均匀等因素对数据的影响.PSD值的计算公式为：

(10)

公式(10)中，PSD(i)为第i声测线声时—深度曲线上相邻两点连线的斜率与声时差的乘积，单位μs2/m；ti为检测剖面第i声测线声时，单位为μs；ti-1为检测剖面第i-1声测线声时，单位为μs；zi为检测剖面第i声测线深度，单位为m；zi-1为检测剖面第i-1声测线深度，单位为m.

3 桩身完整性检测

3.1 检测条件

根据规范要求，声透法检测桩身完整性需要具备以下条件：

(1)受检桩的混凝土强度值不应低于设计强度的70%，且同时不低于15 MPa[7].经计算，桩身混凝土强度达到了17.5 MPa.

(2)桩身混凝土浇筑前，应事先埋设声测钢管.声测钢管应沿钢筋笼内侧呈对称布置，并编号.当桩径D满足800 mm

图4 声测钢管布置示意图

(3)采用率定法确定仪器的系统延迟时间t0，经率定，t0=0.

(4)计算声测钢管及耦合水层声时修正值t′，经计算，t′=12.9 μs.

(5)在桩顶实测对应检测剖面声测钢管的外壁间净距离l′.

(6)检测前，将各声测钢管内注满清水，并检查管内是否畅通，以保证换能器正常升降.

3.2 检测数量与方法

因南水北调邢清干渠工程的重要性等级较高，故一旦发生事故，后果很严重.为客观、科学地评价工程桩的施工质量，对桩身完整性进行全检，即检测数量为49根.

3.3 检测结果分析与评价

为详细阐述桩身完整性检测结果的分析过程和评价方法，本文以18#号桩为例，利用跨孔超声仪对其进行检测.检测前应依据规范合理地设定仪器参数，见表1.

表1 跨孔超声仪参数设定值

检测后，依据波形数据，对该桩各检测剖面的声速、波幅、PSD值等声学参数进行分析和评价.

3.3.1 声速参数分析

依据声速判别流程，分析18#桩的检测波形数据，确定了3个检测剖面的声速参数，见表2.

表2 18#桩各检测剖面的声速参数

由表2可以看出，18#桩各检测剖面的声速异常判断临界值大致分布在3.8～4.1 km/s之间，经计算，其算术平均值为3.956 km/s；极差为0.282 km/s，约为算术平均值的7.1%.根据经验，当极差不超过算术平均值的30%时，可认为偏离范围相对合理，因此，该桩的声速判断临界值可取算术平均值3.956 km/s.

将各检测剖面的声速值与异常判断临界值进行对比，并绘制该桩的声速—深度曲线，见图5.

图5 18#桩的声速—深度曲线

通过分析发现，各检测点的混凝土声速均高于声速异常判断临界值，由此可知，声速参数无异常.

3.3.2 波幅参数分析

以18#桩的检测波形数据为基础，依据波幅判据计算方法，分析并确定3个检测剖面的波幅参数，见表3.

表3 18#桩各检测剖面波幅参数

由表3可以看出，18#桩各检测剖面的波幅异常判断临界值在117 dB左右.由于波幅衰减值的影响因素较多，且不同剖面间的波幅不具备可比性，因此，波幅采用单剖面判据分别进行判断.将各检测剖面的波幅与对应的异常判断临界值进行对比，绘制出该桩的波幅—深度曲线，见图6.

由图6可知，AB检测剖面、BC检测剖面的波幅值变化均匀，且均高于对应的波幅异常判断临界值；CA检测剖面中，距桩顶0.6 m深度和距桩底0.2 m范围内的波幅值低于波幅异常判断临界值，其原因在于在该范围内CA剖面处的桩身混凝土不均匀，且桩底有部分沉渣，从而造成桩底波幅形状畸变.由此可知，在桩顶附近，波幅参数存在轻微异常，但异常声测线在纵向范围内并不连续.

图6 18#桩的波幅-深度曲线

3.3.3PSD值分析

当声测线处于桩身缺陷边缘时，声时将发生突变，因此，可通过PSD值间接反映声时的变化情况，从而判断混凝土是否存在缺陷.仍以18#桩的检测波形为例绘制3个检测剖面的PSD曲线图，见图7.

图7 18#桩的PSD曲线

由图7可知，在距桩顶1.0 m处，AB检测剖面的PSD值突变明显，约720 μs2/m，其原因可能在于粗骨料受重力作用下沉，导致混凝土强度降低，声时变慢.同时，在距桩底12 m范围内，3个检测剖面的PSD值均有一定程度的突变，约为200 μs2/m，说明该范围内混凝土不密实.通过PSD曲线验证，在桩顶附近也同样存在轻微缺陷，与波幅特征一致.

3.3.4 桩身完整性评价

桩身完整性类别应结合桩身缺陷的分布范围、空间尺寸、波形畸变程度等因素综合进行评价.从对18#桩3个检测剖面的声速、波幅、PSD值等参数的分析中可以得出，该桩为Ⅰ类桩.

依据上述分析方法，对其余桩基的桩身完整性进行分析与评价，发现10#桩、21#桩、46#桩的桩身混凝土声速低于对应桩基的声速异常判断临界值，7#桩、41#桩的波幅值低于对应桩基的波幅异常判断临界值，存在轻微异常，比照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)[7]可知，这5个桩为Ⅱ类桩.

各桩的桩身完整性评价汇总结果见表4.

表4 桩身完整性评价汇总表

4 结论

(1)通过选取代表性工程桩检测数据，计算了各检测剖面的声速参数、波幅参数和PSD值，发现声速参数无异常；波幅参数轻微异常，但纵向不连续；PSD值存在轻微异常，与波幅特征一致.

(2)依据代表性工程桩的完整性判别方法，评价了其余工程桩的完整性情况，得出工程共有Ⅰ类桩44根、Ⅱ类桩5根，能满足设计要求，为上部结构施工提供了坚实的保障.