基桩声波透射法声速低限值探讨

仇道刚，陈江林，李俊启

（南京铭创测控科技有限公司，江苏 南京 210032）

0 引言

目前，在基桩检测的三大行业规范里，都提到了混凝土声速低限值。在 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》第 55 页 10.5.4，第一条“应根据本地区的经验，结合预留同条件混凝土试件或钻芯法获取的芯样的抗压强度与声速对比试验，分别确定桩身混凝土声速低限值VL和混凝土试件的波速平均值VP”；在 TB 1021－2019《铁路工程基桩检测规程》第 19 页 5.4.3，第一条“当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性很小时，宜采用声速低限值判据。即实测混凝土声速值低于混凝土声速低限值时，可判定为异常”；在 JTG/T 3512－2020《公路工程基桩检测技术规程》第 63 页 10.4.7，第一条“应根据预留同条件混凝土试件或钻芯法获取的芯样试件的抗压强度与声速对比试验，结合本地区经验，分别确定桩身混凝土声速的低限值VL和平均值VP”。三大行业规范均把声速低限值作为辅助判据。笔者发现，在实际工程检测中，因没有明确的办法确定声速低限值，故关于声速低限值的部分条文仅仅停留在字面上。

1 声速低限值概念

关于声速低限值，笔者查阅了大量资料，并没有找到混凝土声速低限值具体定义，也找不到一篇关于声速低限值的论文。理论上，声速低限值是指同一地区、同一标号、按照同样的配合比、同样的材料在相同的养护条件下养护成型的混凝土，其声速的极限最小值。要确定声速低限值，要有一定的样本数量，数量是多少比较合理，目前也没有可查的依据。笔者走访了一些权威的科研机构，也没有找到任何一家单位对混凝土声速低限值进行过研究，也就是说混凝土声速低限值按照什么样的方法确定，没有公认的依据。

2 桩身声速不等于混凝土声速

桩身声速不等于混凝土声速的主要原因有两个：①声测管不平行；②径向换能器在声测管中不居中。这两个因素会导致测距或声时出现误差，影响声速的计算。混凝土声速是指每个测点的测距能够准确测量，精确到毫米；每个测点的声时准确测量，精确到微秒，测距除以声时计算出来的声速，混凝土声速可以一定程度地反映混凝土的强度、密实性。

2.1 声测管不平行

桩身声速是指按照基桩声波透射法计算得到的声速［1］，考虑声测管不平行的因素，桩身声速的每个测点的测距不是准确测量值，桩身声速的来源如式（1）、（2）所示。

式中：tci为第i个测点的声时值，us；ti为第i个测点的声时测量值，us；t0为测试系统零声时，us；t′ 为声测管、水的声时修正值，us；vi为第i个测点的声速，km/s；l为桩顶面两声测管净间距，mm。

l是声测管管口的净间距，非每一个测点的实际测距，基桩声波透射法是假设声测管是平行的，只有假设声测管平行，这个方法才成立。但是实际情况，声测管不是平行的，工程上声测管会有所倾斜，而且各种情况都会有：有局部倾斜的，有整体倾斜管口变小的、有整体倾斜管口变大的，这就导致l不是每一个测点真实距离，真实测距可能比l大，也可能比l小。从某种意义上说，桩身声速跟混凝土声速的差异，是由声测管的平行度决定的，而且有时候声测管平行度偏差极大［2］，这也是基桩完整性判定不看声速绝对值大小，只看声速相对变化的原因。近几年的技术发展，对于轻微管斜的数据，可以进行管斜修正，这样可以得到更准确的声速值。但是，管斜修正仅能在轻微管斜的时候有较好的效果，严重管斜的数据无法得到良好的修正效果。另外，声波透射检测的一大优势就是可以不等基坑开挖、破除桩头即可进行检测，然而此时测量的声测管管距跟实际管距偏差很大，如图 1 所示。这种情况虽然对桩身完整性判定不会产生影响，但是，测得的桩身声速与混凝土声速会有很大的差异。

图1 基坑未开挖的声测管

2.2 声测管倾斜工程案例

例如，某房建工程桩声波实测数据，桩号 52，桩径800 mm，设计强度 C30，埋设 2 根声测管，桩长 8.2 m。声波检测结果：声速平均值 2.6 km/s，声速临近值 2.512 km/s，声速标准差 0.027。声速-深度曲线、波幅-深度曲线均正常，所有测点声速和声幅均大于临近值（见图 2），深度-声速曲线无明显管斜现象。声速整体偏低，由于检测时基坑没有开挖，判断因声测管管口部分变小所致。数据曲线均正常，初步判定为Ⅰ类，后经过取芯验证，证实了声波判定结果是正确的。但是，此桩的桩身声速远低于混凝土声速低限值，如果以桩身声速低于混凝土声速低限值来判定此桩是问题桩，显然是不正确的。

图2 声速整体偏低曲线图

2.3 径向换能器在声测管中不居中

考虑声测管直径比径向换能器尺寸大的因素，径向换能器在声测管中不是一直居中的，则每个测点的声时测量值不是准确值，会影响桩身声速的计算。基桩声波透射法在计算系统零声时时，是以径向换能器在声测管里居中为标准计算的。但是，实际检测时，径向换能器在声测管里是自由晃动的，如图 3 所示。两个径向换能器因自由晃动导致在最远端和最近端时的距离差 Δl如式（3）所示。

图3 径向换能器不居中距离差示意图

式中：v水为水的声速，km/s。

常用声测管分为 50、54、57 mm 三种规格，以外径 54 mm、壁厚 2 mm、径向换能器直径 25 mm、水的声速 1.48 km/s 为例计算。

径向换能器在最远端和最近端的声时差：

换言之，由于径向换能器在声测管里的随机晃动，造成的桩身声时误差最大为 22.52 %，考虑零声时计算时，是以径向换能器在声测管中居中计算，桩身声速误差为声时误差的一半。以固定桩径举例进行计算，是为了更简洁、清晰地表达观点。实际桩径越小，这个误差越大；声测管越粗，误差越大；径向换能器直径越小，误差越大。为了减小这种随机误差，径向换能器上宜按装扶正器。实际工程上，扶正器磨损很快，因径向换能器的随机晃动对完整性判定不会产生影响，导致磨损失效的扶正器不会被及时更换。也有很多厂家的径向换能器出厂不带扶正器。综上所述，径向换能器在声测管中不居中，给桩身声速与混凝土声速之间带来 10 % 左右的误差。

3 龄期对桩身声速的影响

为了提高效率，更高效地服务于工程，对基桩超声检测龄期的要求，近几年是缩短的趋势。2020 年新修的 JTG/T F 81－01－2004《公路工程基桩动测技术规程》对超声检测的龄期要求是“被检桩混凝土强度不得低于设计强度的 70 % 且≥ 15 MPa，龄期不应小于 7 d”。建筑行业和铁路行业的现有规范对龄期要求跟公路现有规范差异不大，也就是说基桩超声检测的时候，混凝土龄期是达不到 28 d 的，混凝土的声速跟龄期基本遵循幂函数关系［3］（见图 4）。常说的某标号的混凝土声速、声速低限值一般是养护 28 d 后，强度达到 100 % 时进行测试的，因为 28 d 后的混凝土的声速趋于稳定，以 28 d 后的声速作为混凝土声速，具有代表性。由此可见，基桩超声检测时的桩身声速是必定小于混凝土声速的。

图4 混凝土龄期-声速曲线

4 结语

桩身声速是在基桩声波透射法的特有条件下得到的，虽然对缺陷判定能够提供有效依据，但是，不能简单地把桩身声速当成混凝土声速来对待。由于在测距不是准确值、径向换能器在声测管里晃动造成的声时测量误差、龄期对桩身声速有影响等客观条件下，使得桩身声速和混凝土声速还是有差异的。测距不是准确值的影响，随机性强，影响大于后两个因素。目前，对声速低限值的研究太少，没有公认的确定方法，凭个人经验掌握，差异可能会很大。将一个不熟悉的参量引入基桩声波透射法完整性评价体系，完全靠检测人员的经验来掌握，在相对成熟的基桩声波透射法检测技术里，显得不是很协调。此文仅是抛砖引玉，希望能对基桩声波透射法完整性评价体系的完善起到一点作用。Q