冲击回波法在灌浆密实度检测中的应用

兰彬安

（上海市徐汇区建设工程质量监督站，上海 200233）

0 引言

目前，国内的钢筋灌浆普遍采用套管，但套管内注浆密实度对整个结构的安全和使用寿命有很大影响[1]。灌浆材料不密实，套筒、钢筋、灌浆材料之间的黏结性和受力传递等问题都会严重影响钢筋节点的衔接，使其整体性能难以达到现浇结构的要求，存在很大的安全隐患。在强风、地震等水平载荷作用下，节点容易出现断裂，造成剪力墙、柱、梁等结构构件的松动和坍塌。所以，探讨一种检测套管接头灌浆密实度的有效途径是十分必要的。

1 灌浆接头检测研究现状

灌浆套管接头的机械性能测试已有相当多的研究，但目前所检测的试件大多为理想状况试件，即试件为全灌浆、预埋钢筋就位的试件。由于存在许多未充分注浆或注浆未到位的节点，因此在实际工程中，这种理想状态试件无法全面反映套管接头的真实状况[2]。由于目前只局限于轴向抗拉、抗压试验，还不清楚套管在不同灌浆状态下受力的力学性质，因此在水平荷载如地震、风荷作用下的力学性质有待进一步研究。

目前，灌浆接头的缺陷检测方法主要有超声探测法、内埋式感应法、雷达法、预埋件传感法等。各类套管接头的缺陷检测方法及其力学性能均与试验研究密切相关[3]，目前仍处在摸索阶段，研究尚不成熟，相关设备缺乏针对性，未形成统一标准，且相关检测方法有一定的局限性。超声探测法随着钢管套管的厚度增大，探测难度也随之增大，当缺陷过大时，仅能对其进行定性的分析。内埋式感应法受套管内部尺寸、设备昂贵等因素的制约，仅能对套管灌浆中的回流问题进行定性分析，无法量化分析。雷达法不适合于厘米级直径的钢套，同时由于设备昂贵，无法大规模推广。预埋件传感法须事先确定探测点，且仅能探测到预埋件中的缺陷，无法开展大规模、不确定因素的探测。

2 冲击回波法

冲击回波法是一种用于检测灌浆套管接头的紧固性方法，主要应用在桥梁、管涵、隧道等市政工程中，有以下2种常用的方法。

第1类方法为冲击回波等效波速法。受激弹性波穿过缺陷区域时，弹性波在缺陷部位产生反射，其反射时间大于灌浆区，等效波速按IEEV法理论计算。IEEV法是一种很好的解决方案，包括以下2个方面：①在有注浆缺陷的情况下，弹性波线（或部分弹性波线）的传播距离会增大，传播时间会延长；② 可对弹性波变化作出灵敏反应。大量试验表明，即使注浆缺陷是局部的，或不在缺陷的正上方，也可以采用这种方法。这种方法精度高，但速度慢，如边界条件较复杂（如在壁板的边缘等）[4]，会严重影响测试的准确性。

第2种方法为冲击回波谐振补偿方法。在结构激发信号的半波长附近，会出现缺陷反射和自由振动的谐振，这使得半波长的自由振动在缺陷的埋入深度附近谐振位移。

这2种方法采用了同样的资料和光谱分析，但对云图的解读不同。等效波速法适用于低壁厚、底面有显著反光的场合；谐振补偿法更适用于较大的壁厚和较低的底部反射。本文所使用的试样均为固定于空中的单体灌浆套管，未预先埋入混凝土构件，且未受其他介质影响，实验环境较为理想。由于灌浆套管的厚度大、套管直径小，影响波形图象识别的因素较多，须对其改进。

2.1 试验原理

利用冲击回波技术，根据侧向激励和受力情况，检测灌浆过程中的缺陷部位及大小[5]。按套管长度将测点间距设定为20～50 mm，每根套管设置3个测点，每根套管测试两段数据分析套管密实度，激发位置与感测器之间的间隔为20～50mm，由下往上进行测试，如图1所示。

2.2 试验方法

对现场进行仿真实验，分别制作密实度为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的灌浆套筒，每种密实度制作5个套筒接头。利用四川升拓检测科技有限公司研制的冲击回波无损检测装置，检测灌浆套管接头密实度，套筒接头参数见表1。试验结束后，将试件置于冲击回波测试中，利用相应的探测手段获取波形，并依据波形与缺陷之间的对应关系，判断灌浆缺陷。每根套管采用冲击回波法检测，之后剖开2个接头验证。

表1 套筒接头参数（Tab.1 Parameters of sleeve joint）

2.3 试验结果与分析

2.3.1 试验数据

首先，采用冲击回波法检测灌浆套筒接头的密实度，采用辅助线长度比例法判断套筒灌浆密实度。实际30%密实度的1、2和3号灌浆套筒的密实度检测值分别为32.4%、23.9%和33.3%。

然后，采用同样的方式，获得不同密实度的波形。为了检验冲击回声识别的密实度与真实密实度的一致性，采用冲击回波法检验已测试出的密实度。密实度对照表见表2。

表2 密实度对照表（Tab.2Compactness control）

该试验对5个不同密度的套管进行灌浆后的充填密实性检验，并分别对2个套管进行劈裂检验，以确定其真实密度。通过数据分析可知，注浆套管接缝精度在30%～80%之间的配合比误差小于5%，在90%～100%之间的配合比误差小于10%。

2.3.2 讨论与分析

在辅助线附近产生的波形图像最先返回，因为密度越高，冲击波返回的速度越快，所以辅助线或附近的图像为套管接头内部密度较大部分的反射图像。灌浆料的密实度取决于辅助线上或周边图像所占辅助线长度的比例。在判别图像时，由于套筒内壁附着有凸起或杂质，冲击波噪声较大，当冲击波能量较大时，套筒端部会产生边界效应，因此需识别并排除。通过对比验证和分析可知，在密实度小于60%的情况下，冲击回波法测得的密实度高于实际值。

（1） 切开套筒观察，密实度小于60%的灌浆套筒在未压实处有一定数量的灌浆料，这是因为套筒内壁容易粘附灌浆料。灌浆料较少时，重力作用小；灌浆料较多时，受冲击波作用后回波图像较多，压实值越高，读数越高。

（2）当密实度小于60%时，套筒内空隙较大，激波反射越来越杂，在套筒壁上来回震荡，干扰图像成像，使图像判读精度高于实际值。由上述试验与论证可知，当灌浆密实度小于60%时，应设置修正量以减小误差，使读数结果更接近实际值。通过数据分析发现，当=5.0%时，测试结果与实际情况最接近。因此，设置修正量，冲击回波图像初始值由修正量减去，可得：当密实度大于60%时，由于重力作用，筒壁上的灌浆速度较快，粘附在筒壁上的浆料减少，产生的杂波也会减少，使图像更接近实际值。综上可得，当套筒密度大于60%时，可采用冲击回波法估算实际灌浆密度；对于灌浆密度为60%～100%的套管接头，采用冲击回波法估算灌浆密度与实际灌浆密度相差低于5%。

3 结语

为研究一种能通过现场数据，对灌浆套管中的注浆体密度缺陷进行定性和定量分析的方法，本文利用冲击回波方法检测套管接头的密实度，并和实测密实度进行对比，得出以下结论。

（1）冲击回声辅助线长比法是检验中心位置钢筋单套筒接头灌浆密实度的一种实用方法。

（2） 灌浆密实度小于或等于50%时，采用冲击回波辅助线长比确定的密实度作为灌浆密实度估算；灌浆密实度大于50%时，采用冲击回波法直接确定灌浆密实度。因此，采用冲击回波法测试灌浆套管接头密实度，具有较高的精度。

（3）冲击回波法的密实度检测技术在工程实践中有很好的应用价值，可作为控制灌浆工程质量的一种方式。但在实际应用中存在许多问题，如现浇结构往往存在多排孔洞，因此该方法仅能有效检测和评价离试验面最近的孔洞[6]。