基于声波透射法的大面积强夯地基检测方法

张立业

（深圳市福田建设工程质量检测中心，广东 深圳 518048）

0 引言

为了提高土地资源利用率，部分建筑工程采用半挖半填的方式填筑地基，但这种方式容易导致滑动和沉降问题。目前，强夯法因具有高效经济、加固效果较强的特点而被广泛应用于工程项目的地基处理中。

为了验证大面积强夯地基施工的施工质量，需要通过科学有效的方法进行判定，传统的检测方法工程量较大，不适用于大面积的检测工作，对检测工作的效率和准确度存在不利的影响。

声波透射法具有应用范围广、检测结果清晰直观、检测质量好的应用优势，能够在不同的声波条件下实现对工程项目施工质量的敏感检测，因此在许多建设工程中被不断普及和应用。该文基于声波透射法对大面积强夯地基检测进行研究。

1 工程概况

1.1 工程场地与水文地质条件

该文研究对象的工程强夯区淤泥层厚度较大，其地基复杂程度和场地复杂程度均为二级，该工程结构疏松，且存在较大空隙和孔隙，其场地为强度较低的欠固结土，工程石料丰富，工期较短，软弱土层较厚。

该工程场地其西面为南北走向延伸的丘陵地貌，坡面表部由灌木覆盖，露头较少，较为平顺，边坡岩体完整，主要为微风化、中风化，无充填物，边坡未见泥石流、滑坡等现象，具有较好的稳定性，场地东侧为平原地貌，但该地貌范围较小，地形平坦，地面标高为0m～1.5m，其南面临海。

工程强夯区地质层类型丰富，包括素填土、粉质黏土、含黏性土碎石以及少量的不同风化程度的含角晶屑玻屑凝灰岩。

该场地水系不发育，由丘陵地带形成冲沟并汇集在平原地带，形成河网流入大海，该河网经人工整治，较为平直，河网宽度在16m以下。

1.2 检测设备与原理

对面积强夯地基进行检测需要利用相应的检测设备，一般由测量系统和分析系统构成。该文检测所采用的检测仪器主机参数和提升装置参数见表1。

表1 检测仪器参数

由于该文通过声波透射法对工程项目进行大面积的强夯地基检测，因此需要选择密封性好、不漏浆的超声检测接头，同时在检测过程中保证接头逇安装牢靠，不会出现脱落情况，保证声测管内畅通，无异物。桩基本身的缺陷越多，其产生的声阻就越大。声波透射法利用声测管传播声波，并通过发射换能器和接收换能器发射和接收声波，具体声波反射及折射过程如图1所示。

图1 声波反射及折射过程

在声波反射及折射的过程中，增加声时、降低波速会出现声能衰减的情况，因此针对声波信号的波形畸变、振幅3减少等变化特征分析测量值的变化情况，判定桩基存在缺陷的位置和范围，并进行大面积强夯地基的质量评定。

2 大面积强夯地基检测过程

2.1 声测管布置

该文声测管采用的是钢质波纹管，声测管埋设数量见表2。

表2 声测管埋设数量

为了保证在各检测坡面检测的过程中不出现复检混淆等情况，对各检测剖面和声测线按顺序进行编号，声测管从桩基施工中的钢筋笼内侧开始，以环状的方式进行布置。该文声测管的布置方式充分考虑强夯地基的检测覆盖范围和基桩的结构稳定性，以3管的布置方式完成布设，其声波检测的有效面积如图2所示。

图2 声波检测有效面积

图2中展示了1号、2号、3号声测管的布设以及检测的有效面积。在此基础上，利用平测法检查各个检测剖面，并记录参量异常的声测线。然后再次检测其中的可疑声测线，根据二次检测结果来验证声学参数异常部位的基桩普查结果，从而划分异常部位存在范围。首先，将发射换能器和接收换能器以80mm的步长向上提升，测量声学参数。其次，通过斜测在声测管内升降进行测试，评定基桩存在缺陷的部位和性质。最后，记录各检测剖面的检测结果。

2.2 管斜数据修正

在实际的声测管布置与埋设中，很难保证声测管处于绝对平行的状态。同时，如果在安装声测管时未能进行有效连接和固定，也会使声测管出现倾斜翘曲等情况，导致在相同检测剖面的测距中出现较大的结果差异，使该文得到的声速与实际声速的误差较大，严重影响检测的精度，从而无法有效分析与判定检测数据，因此需要修正不平行时得到的测管数据，具体修正见式（1）。

式中：r表示声测管间距；r表示测点实际的测距；C表示声速；r表示声测管倾斜度。

由于基桩声速一直处于波动状态，各检测剖面以及各测点的测距也在不断变化，因此需要根据声速深度曲线判定声测管的实际声速。因此，该文利用曲线拟合法来判定声速判据，检测声测管弯斜的位置和区域，从而筛选其中存在突变的声测线，然后再修正声测线，进一步调整修正公式，具体如式（2）。

式中：（）表示声测管间距的深度函数，（）表示实际声速定义为深度的函数。

若基桩声速对（）的影响是突变的，则表示该基桩存在一定的缺陷，导致真实声速的变化不具有连续性。

2.3 检测数据判定

在大面积强夯地基检测的过程中，主要涉及波幅、声速、主频这几项参数。其中，声波在检测中具有重要的作用，在通过声波透射检测大面积强夯地基的过程中，应在设置声速临界值的基础上，按照由小到大的顺序排列相同检测面中各测点的声速值，具体如式（3）。

式中：v表示测点处的声速值，表示检测剖面的测点数量，表示v序列尾部去除最小值后的累计值。

将序列剩余的数据进行计算，具体如式（4）。

式中：表示强夯地基基桩异常判断值；v和z分别表示-个数据的均值和标准差；表示-的对应系数。

将v与相比较，若v≤，则v及以后的数据均为异常，去除异常数据，继续计算序列中剩余的数据，直到v序列剩余数据均满足v＞，此时即为声速临界值，若v≤则判定声速异常，对波幅临界值进行计算，过程如式（5）。

在同一剖面中，A表示各测点波幅均值。在式（5）成立的条件下，可以判定强夯地基存在异常部位。然而由于主频测试值较不稳定，因此在实际大面积的强夯地基检测中，仅作为一个辅助判据，与实测的声波波形一同进行分析，来对地基基桩进行判定。

3 实验论证分析

为了验证大面积强夯地基施工的质量，该文在地基基桩施工完成后，通过声波透射法，根据声速参数和波幅参数的异常程度实现对大面积强夯地基的检测，并综合考虑实测波形的畸变性和主频漂移程度，建立声测线的完整性判定表（表3）。

表3 声测线完整性判定表

由表3中的内容可知，上述判定标准主要针对声测线而言，对单个检测剖面的地基基桩，则认为该检测剖面为该桩检测结果，但若基桩全部按照该标准进行判定，则容易造成重判的情况，因此充分考虑该文基桩的类型和缺陷的空间分布位置，根据基桩设计的参数，建立基桩完整性的综合类别判定，其单桩各参数见表4。

由表4可知，根据基桩类别及相关参数，结合实地情况，在对可疑基桩质量进行斜测后确定的缺陷范围进行基桩完整性分类，具体见表5。

表4 基桩单桩参数

表5 基桩完整性分类

由表5可知，对大面积强夯地基基桩进行完整性检测的分类原则，该文选取检测过程中的5根声测管在不同管距条件下的声测检测结果，具体见表6。

表6 基桩声测结果

由表6可知5根基桩的声测结果，在声测管距离不断增加的条件下，平均波速不断增加，声速不断增加，在同一基桩中，其声速是相似的。在斜测法判定基桩缺陷中，选择1根直接桩接桩进行展示。该桩长65m，桩径为1.5m，得到该桩的低应变曲线，具体如图3所示。

图3 5-7桩低应变曲线

由图3可知，在5米处存在等强度截面面积变化的情况，并存在一定程度的扩径，初步判定该桩在5米处存在严重缺陷，在10检测测面和15检测测面深处有缺陷，分析实测波形，20检测测面的波形信号有衰减现象，判定该缺陷集中在3号声测管周围，具体缺陷投影面积如图4所示。由图4可知，缺陷投影位置、大小与声波和低应变曲线特征相一致，证明该文检测大面积强夯地基基桩的方法具有可行性。以基桩实际情况为参照，对该文检测方法得到的结果进行验证，该文采取直接开挖的方法验证地基基桩缺陷位置和类别。开挖过程如图5所示。

图4 缺陷投影面积

由图5可知，该文方法检测得到的地基基桩缺陷的位置和深度以及面积大小与实际情况相吻合，证明该文检测方法具有准确性。由此可见，该文方法具有可靠性。

图5 地基基桩开挖过程

4 结语

该文通过了解工程场地与水文地质条件的实际情况，根据检测原理准备检测设备，布置声测管，修正管斜数据，判定检测数据，完成该文检测研究，取得了一定的研究成果。同时，由于时间和条件的限制，因此该文研究存在许多不足，例如未涉及对斜率法判据的研究、对声波波形数据的内容研究较少，未来还将对地基强夯后的地基承载力进行验证。