超声波法检测挤扩支盘桩轮廓形态模型试验

李 勇， 贵 宁， 李国维， 熊 力，杨永清， LIU Lanbo， 寇英新

(1. 广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510623; 2. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京210098; 3. 河海大学道路与铁道工程研究所，江苏 南京 210098; 4. 河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210098;5. Department of Civil & Environmental Engineering University of Connecticut，Storrs，CT 06269，USA)

0 引 言

挤扩支盘桩是一种新型变截面灌注桩，相较于其他桩型，其单桩抗压和抗拔性能好，桩长相对短[1]，替代超长直杆摩擦桩有优势。支盘桩的承力盘和分支是桩体上重要的受力构件[2-3]，分担桩体荷载的主要部分，其质量状况直接影响支盘桩的承载性能。支盘桩承力盘和分支的浇筑过程在地下完成，腔体轮廓无模板支撑，浇筑后的形状具有一定的不确定性，因此，支盘桩浇筑后承力盘和分支外轮廓形态的检测成为必要的质量控制环节。

针对挤扩支盘桩的检测，一般情况下工程上仅进行和钻孔灌注桩检测项目相同的检测，如钻芯取样检测桩体强度和连续性等。已开展的支盘桩检测研究工作，均是通过间接方法监测承力盘和分支的承载性能。通过原位静载试验[4-5]，分析竖向荷载作用下挤扩支盘桩的荷载传递机理和变形特性，由此发现支盘桩的承载力性状特征。常规灌注桩承载性状的无损检测方法[6-9]，均可以作为检测支盘桩检测的间接手段，超声波透射法用于混凝土及金属材料内部的缺陷检测具有显著的效率优势[10]，用于桩基检测时利用桩体内预置的检测管道发射和接收信号，除可以直接反映桩身强度外，还可以直接反映桩体的直径变化范围[11-12]，低应变法[13]也可以粗略反映桩体的外轮廓情况。超声波旁孔透射波法，在桩身以外设置检测管道，通过桩顶激发接收管道不同深度处的超声波信号[14-15]，可检测混凝土灌注桩的桩长和桩身缺陷深度位置。

上述国内外研究的成果，尚不能直接判定支盘桩桩身承力盘和分支的形态，无法反映其空间分布的情况。时下定量评价支盘桩的质量状况的方法还不完善，其中支盘桩的外轮廓检测方法，是该桩型推广应用的重要技术支撑。本文基于模型试验，利用跨孔超声波透射法，提出了一种支盘桩外轮廓检测的方法，致力于检测支盘轮廓形态以及计算轮廓尺寸，建立支盘桩外轮廓检测的快捷新技术。

1 模型桩结构及材料性状

依据支盘桩施工设备的可成桩的几何参数，选择其中最小桩的尺寸制作模型桩，几何参数列入表1，结构型式及实景如图1所示。为模拟桩体内部配筋对测试结果的影响和满足现场吊装的需要，模型桩配筋与工程桩相同，配筋尺寸列入表2，配筋图如图1（d）所示。模型桩浇筑混凝土约0.931 m3，强度等级为C35，材料参数列入表3。模型桩内预埋超声波检测通道导管4根，桩外放置2根，如图2所示。

表1 模型支盘桩几何尺寸

表2 模型支盘桩钢筋规格参数表

表3 模型支盘桩材料参数表

图1 模型桩

图2 现场试验声测管布置图

2 试验方案

本模型试验的目的在于，建立模型桩轮廓尺寸与超声波检测参数的相关关系，论证超声波检测方法的可行性。采用的试验方法为，用超声波透射法检测导管间介质的超声波行程时间和波形等特征，据此判断桩体外轮廓形态。

试验内容包括，将支盘桩模型桩埋入到试验基坑中，以细砂回填并冲水密实。检测导管中充满水并保持液面齐平管口，采用4通道超声波透射法自动测桩仪，超声波换能器自导管底起测，匀速上行。试验方案列入表4。现场试验情况如图2所示。

表4 模型桩检测试验方案

3 试验结果分析

3.1 波列图特征

图3为试验Ⅰ的A-D检测截面波列图。试验中探头每提升2 cm记录一次数据，表示探头在某一深度某一时段内所接收到的波形信息。将每一深度测点的波形图按位置顺序从深到浅层依次排列，便形成超声波波列图。当接收探头未感知有效信号时，波形无明显幅度变化，当首波到达接收探头时，波形产生突变，该时间点为首波到达点。将每一测线的首波到达点连线形成初至波线，如图中紫色线所示。

图3 跨孔检测超声波波列图

超声波在不同介质中传递的速度是不同的。混凝土中超声波波速约4.3 km/s，而在饱和土中约为1.6 km/s。由于检测管的距离是确定的，因此，超声波传输路径的直线距离是固定的。模型桩支盘的空间形状是变化的，超声波传输路径上直线距离范围内，混凝土介质所占路径直线长度的比例也是变化的，致使首波到达的时间也是变化的，所以波列图中初至波时间线和支盘的外轮廓是有对应关系的。由此，波列图首波线形状可以用来初步判断桩体外轮廓的形态。

3.2 首波到达时间与深度关系

图4为首波到达时间与深度的关系曲线，其中图4（a）测管间距650 mm，图4（b）测管间距1 000 mm，图中两条曲线分别对应发射端在桩内、外两种情况。图中显示，超声波从不同的介质中发出穿过接触界面，沿相反的方向传播，在相同深度位置首波到达接收端的时间近似相同，首波到达时间随深度变化曲线与超声波传播方向的关联性不显著。

图4 首波到达时间与深度关系曲线

图4显示，首波到达时间与深度关系曲线在一定深度范围内的形状和模型桩支盘的外轮廓相近，这一深度范围（0.1～1.1 m）与支盘的厚度（0.8 m）范围相近。首波到达时间的最小值是由测管的间距和声路介质性状决定的，相同介质下路径长则声时大。测管间距650 mm工况声路上混凝土介质长度相对小，对应较小的 tmin=170µs，间距1 000 mm工况声路上混凝土介质长度相对大，对应较大的tmin=230µs。

首波到达时间和传播途经的介质有关，超声波在土体中的波速小于在混凝土中的速度，途经的土体部分路径越长则首波达到时间就越长，否则相对越短。由此，首波到达时间实际上是超声波传播途经的土体和混凝土中路径长度相对关系的反映，即和支盘的外轮廓形状是对应的。

表5为两次试验支盘范围内的平均声速和平均波幅。通过比较两种不同的传播路径，可以看出无论发射端在混凝土中还是在桩周砂土中，声波的平均声速均相同，声波的传递方向对平均声速并无显著影响。

表5 Ⅰ、Ⅱ号试验各参数比较

表5数据显示，由桩内发射的工况，对应的声波幅值和能量，均大于桩外发射的工况。由此判断，声波在穿过桩土交界面时发生了折射，使得两个传播方向的耗能不同，采用桩内发射桩外接收的方式，声波能量损失更小，这种方式检测孔的间距可以更大。

综上，首波到达时间随深度变化曲线，主要和超声波发射端和接收端之间直线穿过的介质性状和厚度相关，和超声波的传播方向关联性不明显。接收到的超声波能量和传播方向有关，从砼中发射在砂土中接收的工况，接收到的声波平均能量相对更高，对于检测管间距较大的工况，选择超声波传播耗能较小的方向进行测试，可以提高检测数据的可靠性。

3.3 支盘轮廓几何尺寸算法

图5 支盘轮廓计算原理图

考虑到检测管直径相对于检测声波传播路径长度为很小的值，和 vs/vw≈1，由此简化式（7）得式（8）。表6为根据式（8）和首波声时计算得到的支盘轮廓特征位置的几何尺寸。图5（b）为支盘实际尺寸与检测计算结果的相对关系，可以看出检测计算结果反映出来的支盘形态和实际轮廓尺寸基本吻合，能够反映模型的轮廓特征。

表6 Ⅰ号试验计算结果

综上，在假定声波直线穿过介质接触界面的条件下，建立的桩体轮廓尺寸计算公式，计算结果和实际尺寸基本吻合，说明在本模型桩试验条件下，声波直线穿越介质接触界面的假定是可以使用的。

4 结束语

1）波列图首波线形状与模型桩体轮廓对应。每一深度测点的波形图按位置顺序从深层到浅层依次排列形成超声波波列图，其中初至波线所描绘的轮廓与支盘桩实际轮廓基本吻合，可以用来初步判断桩体外轮廓的形态。

2）检测超声波的传播方向对桩体轮廓尺寸检测无显著影响，对接收到的声波能量有影响，对于检测管间距较大的工况，考虑超声波的传播方向是有必要的。

3）在本支盘模型桩试验条件下，超声波直线穿越介质接触界面的假定可以使用，由此建立的桩体轮廓尺寸计算公式可行。