声波透射法在铁路桥梁桩基检测中的应用

□ 陈 亮

声波透射法检测铁路桥梁桩基工程，是近些年来伴随我国铁路客专、高速铁路迅速发展的需要而大量采用的一种检测方法。该检测方法能准确、有效地检测出铁路桥梁桩基混凝土中存在的离析、夹泥、空洞、沉渣、断桩等质量缺陷，为桩基完整性检测判定提供可靠的依据，是一种便捷、快速、安全、可靠的检测方法。在此，特结合以往铁路桥梁桩基声波透射法检测的经验，拟从声波透射法检测原理、适用范围、现场检测基本要求、现场检测、数据分析及缺陷判断等方面，对声波透射法桩基检测进行较为全面的分析研究，以期对开展同类桩基检测工作有所裨益。

1 声波透射法检测原理

声波透射法检测混凝土桩基是根据“穿透法”，采用发射换能器重复发射超声波脉冲，让超声波在所检测的桩基混凝土中传播，然后由接收换能器所接收[1]。超声波在穿透混凝土介质的传播过程中，会在桩身缺陷处发生绕射、折射和多次反射，接收换能器接收到声波信号后，经过声波检测仪接收、处理并自动生成桩基检测参数（如声速、波幅、频率、声时）及相关检测图形（如声时与波幅波形图、波列图，等等），动态地反映桩基混凝土基本质量及有关缺陷状况[2]。

2 声波透射法适用范围

根据《铁路工程桩基检测技术规程》（TB 10218—2019）的规定，桩径D≥2m或桩长L≥40m或特殊结构物或复杂地质条件下的基桩，应采用声波透射法进行检测；桩径＜40m的桩基采用低应变法进行检测。采用声波透射法检测铁路桥梁桩基时，需按设计要求提前在桩身埋设声测管。声测管埋设如图1所示，当桩径D≤0.8m时，应埋设不少于2根管；0.8m＜D≤1.6m时，应埋设不少于3根管；1.6m＜D≤2.5m时，应埋设不少于4根管；D＞2.5m时，宜增加声测管的埋设数量[3]。

目前铁路桥梁工程桩基多采用1m、1.25m桩径，声测管按图1（b）的布置方式埋设。

图1 声测管布置示意图

3 铁路桥梁桩基检测

3.1 基本要求

在进行铁路桥梁桩基检测时，应以每个桥梁墩台为一个检测单元，每检测单元应一次性连续检测完毕。开始检测时间：需待桩基混凝土强度达到设计强度的70%且不应低于15MPa时方可进行检测[1]。考虑到铁路桥梁桩基工程施工工艺的需要，其桩基检测应在承台基坑开挖完成，并破除桩头、割除声测管顶部管节后进行，一般情况下应在某承台最后一条桩基浇筑水下混凝土20d后进行较为适宜。

3.2 准备工作

现场检测应先核对墩台号、桩号，了解桩基类型（摩擦桩、端承桩）、桩径、桩长、桩身混凝土等级、桩顶标高等设计参数。同时，应检查声测管顶部管口是否平齐一致、测管是否堵塞、声测管内是否注满耦合剂（清洁水），符合要求后即可开始检测。如声测管局部堵塞时，则应采取有效措施通管。通管方法：用高压水冲洗清管，或采用钻机配小钻头扫孔清管，或钻芯通管，直至满足测试要求。

3.3 现场检测

采用数字非金属声波测试仪［如武汉岩海RS—ST06D（S）］。正式检测前，需录入被检桩基的相关设计参数（如工程名称、墩台编号、桩基编号、桩基混凝土等级等），设定好测点间距。检测时，测定桩长，采用平测法对全桩各个检测剖面的桩身混凝土质量进行普查，当发现声学参数出现异常部位时，采用加密平测、斜测或扇形扫测等细测方法进行验证检测[4]；必要时可钻芯取样、试压予以验证。平测法、斜测法、扇形扫测法的具体步骤如下：

（1）平测法是铁路桥梁桩基检测的常规方法，如图2（a）所示。平测法检测桩基发现声学参数存在异常测点时，应采用斜测法或扇形扫测法对异常测点进行加密测试，以便准确确定异常部位的范围，从而为桩身完整性判定提供可靠依据。

平测基本方法：先将发射、接收换能器分别置于1、2声测管（见图1）的管底并保持相同标高，然后按设定好的测点间距，自下而上将发射、接收换能器以相同的步长（一般采用200mm），匀速、平稳地向上提升（此时声波检测仪始终处于开机状态），在提升过程中主机相关系统自动读取步长、声时、波幅、主频、纵速等测试参数，自动记录各测点的声波信号，形成声时、波幅曲线及波列图等。根据近些年来开展铁路桥梁桩基检测的经验看，在各种检测参数中波列图、纵速最为关键。一般情况下，根据波列图、纵速即可判定桩身混凝土的缺陷类别（如离析、夹泥、沉渣、断桩等）。

图2 桩基检测方法示意图

（2）斜测法是验证检测的主要方法，如图2（b）所示。斜测时应采取两种不同的方式进行（不宜采用单一的斜测法验证检测）：第一，发射换能器比接收换能器位置高一个步长，且位于可疑点下方0.5r以上的距离（r为桩基半径），此时接收换能器终止点位置应位于可疑点顶部0.5r以上的距离；第二，发射换能器比接收换能器的位置应低于一个步长，此时接收换能器应位于可疑点下方0.5r以上的距离，发射换能器终止点位置应位于可疑点顶部0.5r以上的距离。斜测法验证检测时，步长应≤100mm，提升发射、接收换能器时，应匀速、平稳保持同步。每一缺陷部位验证检测次数应≥2。斜测时，发射、接收换能器中心连线与水平面夹角宜按300°～400°范围掌握，不宜过大。

（3）扇形扫测验证检测也可采用扇形扫测的方式进行，如图2（c）所示。扇形扫测是将一个换能器置于某一高程不动，而将另一换能器逐点移动，使测线呈扇形分部。扇形扫测试时，各测点测距可不尽相同，各测点波幅不宜相互比较，应注意根据相邻点测值的突变对某测点测线进行分析，缺陷判定主要依据应是纵速大小及声波信号衰减程度。缺陷位于桩底部位，难以扇形扫测时，也可采取加密平测法予以验证检测，此时测点步距应≤100mm。

4 数据分析及缺陷判断的主要方法

现场检测完毕后，数据分析及缺陷判断的主要方法：一是查看波列图；二是核对缺陷区域的纵速值；三是进行综合判定。有关方法及注意事项如下：

图3 波列图局部示意图

4.1 查看波列图

波列图为声时与波幅波形的集合图，或声测线的集合图，如图3所示。正常波列图：全桩各检测剖面范围内，声测线排列有序、规则分布、疏密得当，基本无畸变现象，如图3（a）所示；缺陷波列图：缺陷部位声测线呈畸形变化，无首波，波幅较小，有的甚至呈直线状，其余部位波列图正常，如图3（b）所示。

从图3可以看出，正常波列图与缺陷波列图区别较大，易于辨识。因此，进行数据分析时，应查看波列图，准确掌握每一条桩基各检测剖面的缺陷数量及大致部位，从而为数据分析提供准确依据。

4.2 仔细核对缺陷区域的纵速值

声速是分析桩身混凝土基本质量的一个关键声学参数，利用声波透射法检测铁路桩基时，声速分析主要是对测试仪显示屏中所显示的纵速值进行分析。桩身混凝土正常状态及各种缺陷状态下（严重离析、严重夹泥、断桩等），其纵速有相对应的确定值域，根据不同的纵速值基本可确定缺陷的大体类别，逐测点仔细核对纵速值后，即可准确地划分缺陷的起始与终止部位。为快速、有效地进行数据分析，纵速值的核对与分析应在查看波列图的基础上进行。

4.3 综合判定

为准确判定桩身缺陷类别、范围及桩身完整性类别，在查看波列图、核对纵速值的基础上，还应依据声时、波幅、主频、声时与波幅波形图及钻孔桩设计标准（混凝土等级）、钻孔桩施工工艺及地质情况等进行综合判定。由于超声波在混凝土传播过程中，遇到各种缺陷时会发生绕射、反射或多次反射，故声时会延长（正常情况下其平均值大约为127μs，即Tm=127μs，缺陷严重时会延长至300μs～480μs），波幅也会随缺陷类别的不同，发生不同的衰减或严重衰减变化（正常情况下，其波幅大约在102dB～111dB范围内，断桩时会衰减至0dB呈直线状），主频值也会随缺陷类别的不同，发生不同的漂移或严重漂移（正常情况下主频值一般比较稳定，遇到缺陷时会发生较大的漂移，断桩时会漂移至20kHz以下），声时与波幅波形也会随缺陷的不同，发生不同的衰减变化，其中，图4（a）为正常声时与波幅波形，图4（b）为断桩时严重震荡变化波形。

图4 声时、波幅波形示意图

5 实例分析与判定

下面以桩径1.0m、桩长L＞40m、桩身C45混凝土、埋设3个声测管、检测步距设定为200mm时的铁路桥桩为例，对桩身混凝土质量及其缺陷进行综合分析、判定如下：

5.1 桩基质量合格情况

桩基质量合格时（即Ⅰ类桩），测点纵速值在4300m/s～5100m/s范围内。此时波列图正常，首波完整，声时、波幅波形形态较好，且波形基本无衰减变化。此时，波幅、声时正常，主频比较稳定，3个检测剖面所有测点的声学参数均会呈现出上述良好特征。

5.2 桩身混凝土离析

轻微离析时，测点纵速值一般保持在3700m/s～4300m/s范围内。此时波列图变化较大，首波不完整，声时、波幅波形会发生畸变，声时略有增加（约在150μs～160μs范围内），主频值略有漂移（约在43kHz～46kHz范围内）。如该种缺陷仅发生在某一个检测剖面，且其缺陷范围不大时，该桩身混凝土质量可判定为合格；如果该种缺陷同时发生在多个测面时，其质量应判定为基本合格（即Ⅱ类桩）。

严重离析时，测点纵速值则会较低，仅能保持在3000m/s～3700m/s范围内。此时波列图变化较大，首波已发生畸变，声时、波幅波形衰减变化极大，波幅剧烈震荡；声时会增加至210μs以上，主频漂移量较大（有的低于35kHz）。如该种缺陷发生在单一检测剖面且缺陷范围较小时，桩基质量可判定为基本合格（Ⅱ类桩）；如该种缺陷同时发生在多个检测剖面，且缺陷部位基本相同，缺陷范围较大时，则应判定为严重缺陷，该种情况应钻芯取样验证，当验证强度严重低于设计强度时，桩基质量应判定为基本不合格（即Ⅲ类桩）。

5.3 桩身混凝土严重夹泥

一般情况下，这种缺陷出现在桩底较多（桩身局部塌孔时也可能出现）。桩底混凝土严重夹泥时，一般纵速值极低，仅能保持在1900m/s～2500m/s范围内，此时波列图变化极为严重，无首波，声时、波幅波形基本呈直线状，声时会增加至290μs以上，主频漂移较大（甚至低于26.0kHz）。桩底混凝土严重夹泥主要因施工工艺缺陷所致（孔顶储料斗钢闸板下未设置隔水装置），该种缺陷对桩身影响的范围一般会比较大（少则1m，多则3m），而且会同时影响3个检测剖面，该时桩基质量应判定为基本不合格（即Ⅲ类桩）。

5.4 断桩

该种缺陷大多由浇筑水下混凝土的工艺缺陷所造成（如拔管过高，露出混凝土面后第二次插管浇筑水下混凝土所致等）。出现断桩事故后，3个检测剖面的纵速值均会同时出现较大幅度的低值（一般会低至1600m/s～2500m/s范围内）。此时多个检测剖面均会在同一部位出现相同的缺陷，波列图则会出现较大范围的严重畸变，无首波，声时、波幅波形基本呈直线状；声时会增加至300μs以上，主频值则会降低至20kHz以下。该类缺陷性质极其严重，桩基质量应判定为不合格（即Ⅳ类桩）。

6 结语

根据近些年来铁路桥梁桩基检测的实际经验看，声波透射法检测铁路桥梁桩基时，可依据波列图、纵速值对相关数据进行分析，并在此基础上结合声时、波幅、主频、声时与波幅波形及钻孔桩设计标准（混凝土等级）、钻孔桩施工工艺、地质情况等情况，对桩身完整性进行准确综合判定。在此特将这种分析、判定方法与同行们进行交流、研讨，以期把铁路桩基检测工作做得更好。