超声波透射法与低应变反射波法在桥梁基桩检测中的对比研究

2022-03-07郭颖佳

人民交通 2022年4期

文 / 郭颖佳

桥梁工程建设速度加快，应用多种桩基础形式，成为基础设施建设的重要形式。桥梁基础工程造价，占据工程总造价1/4，控制好基础工程质量，能够保障整体工程质量。由于桩基础比较隐蔽，施工工序复杂，所以对施工技术提出严格要求。

当前，桥梁基桩工程建设，面临的工程质量问题较多，必须关注桩基检测问题。混凝土灌注桩施工工艺复杂，基桩工程质量影响因素多，主要表现在桩顶混凝土输送、夹泥、离析等方面。在工程实践中，为了确保桩基工程质量与安全，必须准确检测基桩性能与质量。按照数据统计可知，混凝土灌注桩缺陷率约为20%，因此掌握基桩检测技术与方法，有助于提升工程建设质量与安全。

一、桥梁基桩缺陷类型与成因

桥梁基桩施工工艺不佳、地质条件复杂，对基桩承载力影响大。

第一，断桩：桩身断裂、断开，是基桩严重缺陷问题，极大影响基桩承载力。断桩事故是由于外部压力大、拔管速度快所致。

第二，桩底沉渣厚度大：桩底和岩层间存在软弱层，且端承桩对桩基承载力影响大，且灌注前塌孔、清孔不干净，就会不断积累沉渣，增加厚度。

第三，混凝土配合比不合理，和易性不足，导致混凝土骨料不均匀，致使混凝土出现蜂窝状问题，且含砂量大，影响桩身强度与承载性能。

第四，夹泥、扩径、空洞缺陷，多是由于混凝土材料掺加大量泥土、材料性能与质量控制不足导致。孔壁混凝土灌注操作时，如果地基土粘性大，将会引发轻微塌孔问题。

针对缺陷成因与现象问题，必须选择科学的检测方法，详细分析检测数据，准确判断桩身缺陷问题。

二、超声波透射法与低应变反射波法检测原理

超声波透射法，是一种基于波传播理论的检测方法。当混凝土桩存在缺陷时，混凝土并非均匀整体，且缺陷面极易形成阻抗面，会出现应力波反射、折射问题，改变波速与波幅。超声波透射法。将超声波发射至声测管内，当经过缺陷位置时，会产生绕射、散射现象，仪器接收缺陷信息，对比完整信息参数，掌握混凝土内部质量情况。

低应变法。将桩身假设为一维弹性杆，检测操作前，凿除桩顶软弱层，按照桩径大小，确定传感器安装位置。在检测操作时，锤击桩顶形成应力波，并且沿着桩身向下传播。应力波遇到缺陷面时，由于波阻抗变化，入射角出现透射、反射、散射现象。传感器接收波形，通过波形分析，能够推测桩长与深度。通过反射波正反向波幅大小，准确判断缺陷类型。

三、超声波法与低应变法的特点比较

超声波透射法，低应变反射波法，在基桩检测中的应用效率较高，且成本低廉，因此被广泛应用到基桩检测中。

（一）比较检测范围

低应变反射波法检测时，会受到桩基周边土质、传感器、截面阻抗变化等因素影响，应力波从桩顶传递到桩底，之后再反射到桩顶，属于能量衰减过程。当桩身截面大、桩身长度过长时，应力波还未返回至桩顶，就会出现能量耗散情况。

分析可知，低应变法主要是检测桩基长度。在桩长范围内，应变反射波法检测效果佳，且桩底反射信号明显。声波透射法，不会受到桩长限制，只要可以设置声测管，就能够使用超声波透射法检测。声波透射法的声波频率高，波长短。在混凝土内部传播时，能量衰减速度非常快，且传播距离短。当前，国内生产的换能器，空气可测距离超过2m，在无缺陷混凝土中，对测穿透距离高达10m。

（二）检测盲区比较

低应变反射波法，会受到激振方式影响，桩头附近存在检测盲区，盲区范围会受到激振频率影响。当激振频率越高，则浅部盲区范围小。因能量衰减影响，基桩形成深部盲区。

超声波透射法，由于检测原理问题，盲区为声测管以外混凝土区，无法准确检测扩径、轻微缩径问题。不管是摩擦桩，还是嵌岩桩，扩径操作能够加强基桩承载力。所以，超声波透射法盲区，属于声测管以外缩径范围。

四、工程实例分析

（一）接桩处理

某桥梁工程4-1桩，摩擦桩桩径1.7m，桩长17m，混凝土强度等级C25。低应变反射波法，检测结果为桩底反射信号，桩身-5m位置存在缩径类缺陷反射波，混凝土波速比较低。

超声波透射法，检测结果如下：剖面声速、波幅曲线，在桩身-4.7~-5.3m存在异常。声速最低值为每秒3.4km，各剖面缺陷位置声速，明显低于临界值。波幅参数最低值为85.66dB，低于临界值。

按照施工现场反馈可知，该段混凝土接桩处理不佳，判定为Ⅲ类桩。低应变反射波，在-5.0m发现缩径信号，不能明确缺陷类型与严重度。低应变反射波法，对横向裂缝缺陷的反应程度，明显高于超声波透射法。

（二）桩头轻微离析

某公路桥梁，桩基为嵌岩桩，桩长20m，桩径1.4m，混凝土强度等级为C30。低应变反射波法检测，桩身浅部存在缩径类反射波，桩底反射波明显。超声波透射法检测如下：Ⅱ、Ⅲ剖面声速，波幅曲线，在桩身-3.1m~-3.5m位置轻微异常。声速最低值、波幅参数最低值，明显低于临界值。通过分析，将其判定为Ⅲ类基桩。针对此类缺陷问题，低应变反射波法的反应明显。

（三）桩基质量检测

某公路桥梁，1号桩，桩径2m，桩长70m，混凝土C30，应用低应变测试。信号分析显示，桩顶下2m位置缺陷多，桩底反射不明显。超声波检测，波列曲线显示，1-2剖面、2-3剖面，在桩顶以下2m位置出现缺陷，桩顶距离7m范围的混凝土质量差；2-3剖面，底部0.5m处的混凝土质量差。

1号桩为浅部缺陷，因此通过开挖方式验证。通过超声波、低应变测试可知，针对浅部缺陷，超声波法、低应变法均可以检测；然而针对深部缺陷，采用低应变法的局限性较强，当桩长超过标准长度后，则无法应用低应变法。

2号桩，桩基长度为68m，桩径2m，混凝土C30，应用低应变测试。信号分析显示，桩顶以下20m位置存在缺陷，桩底反射不明显。应用超声波检测后，波列曲线显示，1-2剖面、2-3剖面，于桩顶以下20m位的缺陷明显。2号桩缺陷深度大，为了验证低应变法、超声波法测试结果，通过取芯方式进行检测。针对长桩测试，桩身中部缺陷，均可以通过低应变法、超声波法检测。采用取芯检测方式进行验证，能够反映出桩基缺陷问题。

3号桩，桩径为0.8m，桩长度为20m，混凝土C25，应用低应变、超声波测试，结果显示，浅部缺陷检测中，低应变、超声波都表现出较大反应。因缺陷影响大，应用低应变方法测试时，应力波传播的缺陷多，透射到下方的能量少，所以在低应变信号中，只可以观察到上方4m内传播，基本无桩底反射。利用破桩验证可知，在3.5~4.5m范围内，基桩出现泥沙断层问题。

五、桥梁基桩检测的注意事项

超声波检测技术，利用超声波和试件相互作用，研究反射波、散射波、投射波，同时检测试件宏观缺陷、几何特性、组织结构、力学性能等，评价技术检测应用效果。

第一，在浇筑灌注桩之前，需要将声测管预埋在两侧，按照桩直径埋设2-3个声测管，管径大于探头。

第二，封闭下端，向管内灌注清水，水平放置两探头。在桩身上下移动，读出测点声时值，明确缺陷异常点位置与范围。

应用超声波技术，能够检测钢管混凝土注浆密实度，使施工企业尽早采取补救措施，降低不良影响。在测试操作之前，收集基桩施工信息、水文地质资料。针对被测基桩，应当凿除浮浆，确保桩头平整度，切除桩头外露钢筋，保证桩头干燥度。选择适宜的传感器、激振设备、激振部位，在安装传感器时，确保安装牢固性。选择适宜的耦合物，比如石膏、橡皮泥等。在检测桩基之前，选择不同激振部位，确保采集曲线可靠性。