超声波透射检测技术在建筑桩基检测中的运用

陈伟强

（广东惠和工程检测有限公司，广东 广州 510000）

按照成桩方式不同，建筑桩基主要包括预制桩和灌注桩两类，灌注桩的优势在于可承受负载大、施工对桩身危害小以及施工简单易行、成本较低等，在当前的建筑工程中占比较高。目前我国建筑工程年平均成桩量较高，随之而来的建筑桩基问题也逐渐增多，进而暴露出一系列桩基问题。我国桩基缺陷率整体在10%～20%之间，考虑到影响桩基施工质量的因素较多，面对常见的桩基沉降、离析、断桩以及桩底沉渣等问题，工程人员必须借助专业的检测技术，才能及时发展质量隐患，避免上述问题的出现。因此，建筑工程人员必须提高对桩基检测技术的重视，并以超声波透射检测技术为核心，不断提升检测质量。

1 超声波透射检测技术原理、检测标准

1.1 技术原理

当建筑工程桩基使用的为灌注桩形式且桩基直径≥0.8m时，检测人员需采用超声波透射检测技术，可实现对桩基的无损测定。超声波检测技术需要借助发射换能器向外发送连续脉冲信号，同步进行的还有声测管，其中会传送耦合剂，其传送路径为 “桩身——桩接头位置”，此即无损检测的完整流程。在检测时，也需要考虑无法传播的情形，常见的有超声波、横波等无法在液体或空气中传播等，专业检测人员会对超声波能量进行分解，具体拆分为分量和纵波，并将上述超声波能量经由发射换能器，最终实现声波信号与电信号的实时转换。掌握基本信号后，检测人员可了解桩基的整体情况，通过物理力学与介质声学之间的联系，可进一步完成对混凝土的完整性检测。此外，在检测时还应考虑声波可能受到不同材料介质的影响，做好实际情况调查，实现对特定区域内声波信息的传送。

1.2 检测标准

1.2.1 仪器标准参数

要严格按照相关标准选择声波发射和接收换能器，具体应参照以下标准：一是圆柱状径向振动，同时确保沿径向无指向性。按照小于声测径内管的标准选择外径，确保有效工作段长度＜150mm。按照30～60kHz的范围控制谐振频率。对于水密性，则要按照l MPa水压状态下无渗水要求。若测距较大，则在选择换能器时，应带有前置放大器。应合理在声波换能器部位配置扶正器，达到标准辅助作用，以控制检测误差。在选择声波检测仪时，则要关注其是否能够实时显现、记录和接收信号过程曲线，同时要具备频率测量，能够分析频谱。按照≥0.5s的要求控制声时测量精密度，同时控制声波幅值相对误差，使其在＜5%的范围内。同时要按照1-200kHz以及＞100dB的要求分别控制系统频带宽度和系统最大动态范围。应选择阶跃式或矩形脉冲式的声波发射脉冲，同时确保其电压幅值在200～1000V范围内。

1.2.2 控制标准范围

在超声波透射检测过程中，可能遇到检测结果出现分歧的现象，此时，检测人员要重新进行检测和验证，并确保在同一桩基中进行。要比对检测结果和设计需求，当二者偏差较大时，要增大抽检样本量，并在增加抽检的过程中，使用原来的检测方法，也可使用精度更高的检测方法。在完成验证检测以及首次扩大抽检后，检测人员要依据得到的检测结果，联合检测管理单位以及建设单位开展联合检测、勘察，严格控制检测标准范围，确保检测结果可靠。

2 超声波透射检测技术应用要点

2.1 检测前的准备工作

2.1.1 声测管的选材、预埋和安装

声测管的选择，选择声测管材料时，应充分考虑施工现场环境，尤其是桩基所在的环境，提升声测管与施工环境以及检测工艺要求的适配度。声测管选择要遵循最严的把关要求，首先要在机械强度范围内分析声测管和混凝土间的贴合度，应避免二者之间出现间隙，同时要关注灌注桩混凝土的本身强度，在强度达标的前提下，才能减少桩基变形情况的产生。同时要观察灌注混凝土的粘结能力，选择的声测管也应具备良好的粘结性，达到声测管与混凝土之间的解密贴合状态。此外，在选择声测管时，检测人员还要考虑工艺要求，严格按照国家对声测管参数的要求，秉持绿色节能理念，以管壁较薄的声测管为首选，保证信号在声测管内的传输质量。

声测管的预埋，工程人员要提前进行现场勘察，了解检测面大小，并据此确定声测管在桩身横截面上的布局，超声检测管的预埋要以桩径大小为基础，声测管的埋设范围为桩径在0.6～0.8m的范围内应埋设不少于2根，桩径在1.0～1.6m范围内应埋设不少于3根，桩径大于1.6m时埋设不少于4根，桩径大于2.5m时宜增加预埋声测管数量。当局部形式为正方形时，则要平行埋设声测管。结合实际工程经验可知，埋设声测管时可能受到钢筋骨架刚度等的影响，进而产生一定误差，因此要强化对钢筋骨架刚度等的把控。此外，要考虑换能器是否能够达到检测部位，检测人员应提前埋设好一定数量的检测管道，即要提前将声测管预埋在灌注混凝土中，以达到良好的信号传输效果。

声测管的安装，完成声测管预埋后要对声测管进行安装，工作人员要了解不同材质声测管的性能，评估其是否能够与工程标准和设计要求相符，同时要观察声测管和钢筋笼内壁，确保二者紧密贴合，同时应保证声测管的固定方式无误。具体安装时，会使用到焊接技术，此时工程人员要选择合理的焊接技术，确保声测管焊接牢固。固定声测管时，要针对材质选择不同的固定方式，应在立筋上捆绑PVC材质声测管，而钢制声测管则要使用焊接的方式，达到与钢筋牢固焊接的状态。

2.1.2 现场准备工作

进行桩基的检测，需要做好充足的现场准备工作，包括工程资料和现场实际踏勘等。同时对于现场的仪器设备要进行性能检验，具体应对检测仪器设备是否可正常运行、声测管布设是否合理等进行检验。此外，还要在声测管内灌水，应达到满灌状态，由此可达到检测耦合剂的效果，据此可保证声测管各项参数达到检测要求。

2.2 明确检测部位

2.2.1 桩内单孔透射法

超声波检测需要预先留设出一条孔道，检测人员应在桩内进行单孔透射钻进取样，基于此了解桩基周围混凝土的布设情况，并在核实的孔位内放置换能器，将换能器作为桩身孔内部检测的主要媒介设备，以实现钻芯检测，进而更好的收集桩内信息。

2.2.2 桩外孔透射法

要在桩基上部进行桩外孔透射检测，完成基础操作后要观察装内是否有侧管残留，同时还要进行钻孔换能检测。检测人员需在桩身外侧钻孔，并将平面换能器放置在桩身前端，进一步对桩身工作参数的测定依据予以明确，并借助超声波对桩身灌注作业情况进行检测。判定桩身质量时，要测定超声波在土层中的衰减速率，据此对桩基质量进行判定。桩外孔透射法的适用范围常为短桩基，在其中应用时，可对桩基中的夹层、断桩等问题进行精准判别，基于此，工程人员可及时予以补救。

2.2.3 桩内跨孔透射法

对于规模较大的工程，可使用桩内跨孔透射法，如桥梁工程、建筑工程等。此种方法的操作步骤为，首先在桩内放置两根以上声测管，同时要将清水灌注进桩内，确保灌满，之后在瓶内桩身声测管内放置换能器，以接收或发射关键信号，基于两根声测管可得到完整的信号，据此对桩基质量进行检测。

2.3 现场检测步骤

2.3.1 主要检测方法

某工程为棚户区改造项目，该项目所处的地区原始地貌为冲海积一级阶地，整体地质平坦低洼，地质构造复杂，且岩土层分布以及厚度、埋深等也有较为明显的横纵向的差异。基础含水量高、承载力差，因而在施工时可能出现塌孔、缩径等问题，工程人员据此选择超声波透射法进行桩基检测，达到有效排查质量隐患、明确质量问题的目的。在具体检测时，主要采用了以下方法。

1）桩基检测技术，超声波可在混凝土介质中传播，且由于混凝土介质参数指标的差异，超声波在传输过程中会出现波幅衰减、频率等声学参数的变化，检测人员可借助针对性的检测技术对桩身完整性进行判定。当利用超声波透射法进行检测时，超声波在传输的过程中，对遇到的断裂、夹层、蜂窝等部位，会出现声波参数的变化，因而检测人员可根据上述参数变化以及采集到的波列图、剖面曲线畸变现象等，对桩基的情况进行判定，进而采取措施加以处置。

2）倾斜测试法，此种测试方法主要针对的是桩内跨孔透射检测，在使用此方法时，检测人员需要参照换能器的高度变化情况，据此选择斜测和交叉斜测等具体的测量方法。检测时，应按照40cm/s的标准控制换能器的提升速度。当发现局部出现波形异常现象时，检测人员则要借助相应的方法如斜测法和扇形测法等进行进一步检测，以判定混凝土桩基的缺陷问题和具体缺陷部位。执行斜测时，检测人员要处理好收换能器和发换能器之间的固定高差，按照≤30°的要求控制斜测角，并严格控制测量步距，使其≤100mm。在倾斜测试法下，检测人员可实现对桩基缺陷位置和空间分布范围的进一步精准判定。

3）钻芯检测法，在建筑工程中，有部分桩基承担着主要的荷载，对于此种桩基，在检测时，可采用钻芯法与超声波透射相结合的检测方法。具体可选择XY-2B型钻机，钻探时则选择金刚石钻头。检测人员要提前测试钻具，并控制好回次进尺，基于此进行钻芯检测。要认真观察混凝土芯样的情况，同时分析芯样的抗压强度，并将其作为桩身完整性、桩底沉渣厚度等评定的具体参照。通过钻芯取样，可判定桩基的类别。以某工程为例，其在进行钻芯检测时，取样范围为2号 ～10号合格桩基，通过取样可知，该范围内桩基芯样状态较好，具体表现为芯样连续、完整、胶结好，且骨料呈均匀分布状态，断口处吻合度高等。检测人员进而对芯样进行了抗压强度测验，结果与工程要求相符，据此将桩基判定为I类桩。对不合格桩基进行取芯样检测可知，检测结果为混凝土胶结差、内部存在离析和夹泥现象等，桩身结构承载力将受到上述不良构造的影响，具体可将桩身判定为Ⅳ类不合格桩。由此可知，钻芯取样结合超声波透射检测法的检测结构更加精准、具体，能够得到量化的检测指标。

2.3.2 检测数据判定、分析

1）波速、波幅、波形判定，波速是混凝土桩基质量分析中一个重要的参考指标，检测人员需要按照国家、行业规范对波速进行分析和判断，就目前而言，主要应采用声速临界值法、概率法这两种方法。概率法可计算各测点的声速，进而对声速临界值加以掌握，测得的声速将与临界值声速进行比较，当低于临界值时，将判定为异常。声速低限值法则需要做好预留，即对相同条件的试件进行预留，同时结合检测人员的实际经验，科学确定声速临界值。

接收波波幅也是判定桩基质量的重要参照，其对应的是声波穿透混凝土后能量的衰减值，实验证明，接收波波幅强弱与混凝土粘聚性密切相关。在具体判定桩身混凝土质量时，检测人员需将接收波首波波幅作为基准，因为后续波形会受到其他叠加波的影响，从而出现偏差，导致检测结果出现偏差。和声速相比，接收波波幅对缺陷更加敏感，此外，检测人员也要关注接收波的首波波幅，因其易受到其他情况的影响，包括耦合状态、测距以及设备因素等，因此其在稳定性方面还有待提升。

在判定桩基质量时，也可将声波波形作为辅助判定结果的主要手段，据此，检测人员要观察声波的接收信号，时刻关注其是否出现畸变。在具体判断时，应结合桩基实际情况和声波波形的特点，明确桩基的缺陷之处。与声速有密切联系的值有混凝土弹性性质等，而对于波幅而言，其则与混凝土粘塑性关系更为紧密，因此，检测人员要将声速、波幅作为主要的判断依据，对桩基质量进行综合判定，以全面反映桩基质量。

2）检测数据分析，①概率分析法。在检测过程中，可能出现混凝土品质浮动产生的正态分布，这种情况可能是由于随机性产生的误差，这种误差是在标准范围内的。检测人员可进行混凝土抗压强度参数反复试验，通过试验结果可论证上述观点，同时声学参数值和混凝土强度值，二者有密切关联，据此可推断正态分布规律也能够与正常混凝土声学参数规律相符。桩基混凝土质量会受到多种因素的影响，在检测问题区域时，混凝土强度参数值的分布可能与正态分布规律出现一定程度的偏离，因而据此可知，当检测结果不在正态分布范围时，则相应的检测部位对应的即问题区域；②PSD分析法。在判定桩基问题区域时，可借助声时和波幅加以判断，但为提升判断精准率，还需借助PSD分析法，需借助PSD曲线图进行综合判断分析，同时斜率法用于辅助判断依据，观察PSD值时，当其在某一测点周围明显变化时，则对应的区域可能为问题区域。该判定方法的敏锐性较高，且能够排除声测管不平行引起的干扰，同时也可避免混凝土不均匀以及声时变化等因素的干扰，检测精准度、可靠度更高；③声场阴影重叠方式分析法。该方法具体是指，当超声脉冲束穿过桩体问题区域时，其进入问题区域背面时，将出现明显的声强降低现象，进而生成一个声辐射阴影区。检测人员可具体观察该区域，接收信号在该区域内波高会明显降低，且声时会增强，当问题严重时，波形会出现突变现象。检测时可能从2个方向同时检测，此时可分别对阴影区域进行区分，二者会有边界线交叉重叠区，该区域则可判定为问题区域。此外，检测人员应采用多测向叠加法进行检测，依据多个测量结果进行叠加作图，此时的交叉重叠区域则为更加精准的问题区域。

3 结语

提升桩基稳定性、可靠性的关键在于实施针对性的桩基检测技术，及时发现和处置影响桩基质量的问题。其中，超声波透射检测技术在桩基检测中能够发挥较大的效能，检测人员应当掌握该检测技术的原理、熟悉检测标准，做好一系列检测前的准备工作。在现场检测时，使用合适的检测方法，并做好数据的分析和判定等，据此实现对桩基的无损检测，在强大的数据和技术支撑下，实现对桩基质量问题的有效预判和处置，不断提高桩基施工质量水平。