超声波检测技术在桥梁桩基检测中的应用

何朋国

陕西交建公路工程试验检测有限公司 陕西 西安 710117

引言

城市人口密度越来越大，人们对交通工程的需求不断增加的同时，桥梁工程质量事故时常发生，因此，人们对于桥梁工程质量提出了更高要求。在施工过程中，桩基础施工是很关键的一项施工环节，桩基施工质量直接影响着桥梁整体质量稳定性，通过地基基础检测技术能够有效检测桩基质量，为桥梁工程有序开展奠定基础。因此，对桩基施工中地基基础检测优化对策展开探究具有重要意义。

1 基桩质量的检测方法

桩身完整性检测是非常重要的，因为桩的承载能力由两部分组成：一是桩身混凝土的强度和完整性决定了桩身材质是否能够承受上层建筑物的荷载；二是地层的土是否能提供足够的测摩阻力和桩端土抗压强度，是否能提供足够的承载力。由此可见，桩身混凝土质量影响着承载力，其检测的必要性是不言而喻的。现如今普遍的检测方法是：用静载实验法检测基桩的承载力，再配合超声波透射法检测桩基完整性[1]。

2 超声波透射法检测钻孔灌注桩的基本原理

超声波透射检测技术是一种较为先进的桩基检测技术。在应用超声波透射法对桩基进行检测时，通过接收到的超声波波速、波幅、波形以及主频率等方面的变化，就能够对桩基内部存在的缺陷性质、位置以及大小等进行判断。声速是超声波透射法应用到的首要检测参数，由于声速本身具有较强的稳定性，不会受到一些非缺陷因素的影响，因而能够用来判断混凝土的质量情况。相比较于声速来说，波幅具有更高的敏感度，声波传递到缺陷部位时，波幅所产生的变化非常明显，但由于波幅本身很容易受到仪器性能以及测距等方面的影响，因而在应用超声波透射法的过程中，对于混凝土强度的判定往往需要依靠声速和波幅2个参数同时作为参考。波形是超声波透射法中应用的参考图像，检测到缺陷部位时，波形的变化较为明显，但由于其也会受到非缺陷因素的影响，因而不能够单独对桩基进行检测。主频在检测到桩基缺陷时，会呈现出衰减的趋势，这一参数往往只能间接地反映混凝土的质量，因而也难以单独实现桩基的检测。因而在对桩基质量进行检测的过程中，需要结合波速、波幅、波形和主频率4个方面来对检测结果进行综合的考虑，才能够得到更准确的检测结果[2]。

3 常见钻孔灌注桩产生缺陷类型与原因

3.1 钻孔灌注桩水下灌注

3.1.1 钻孔钻进速度快，且泥浆密度不当，泥浆的循环方式不当（泥浆循环可有正循环和反循环）会使泥浆护聘力差，造成塌孔。不同部位的塌孔可能形成沉渣（在桩底部位塌孔）断桩（桩身某一截面完全无连续性或出现蜂窝，局部夹泥，局部不凝固等现象）。

3.1.2 长桩的混凝土浇筑管很长，如又没有合乎要求的止水阀，甚至没有止水措施，桩底将会出现蜂窝或离析。

3.1.3 浇筑混凝土的导管，在浇注混凝土的过程中，由于计算混凝土在钻孔中的上升高度有误，或不慎将导管拔出混凝土，或由于导管堵塞、停电、混凝土供应中断，导管拔出，使孔内混凝土顶端带有泥浆沉渣混凝土的混合物浮于桩的顶端，再继续浇灌混凝土，会使中间存在软弱夹层，造成断桩。

3.1.4 混凝土和易性差、首次浇灌混凝土方量不足、浇注导管进水、在混凝土初凝阶段地下水径流等，使桩身混凝土局部离析。

3.1.5 钻孔结束后，清孔不规范，清孔后没能及时浇筑混凝土，下钢筋时碰撞孔壁，都有可能造成桩底存有沉渣。

3.1.6 浇筑混凝土过程中砂层塌落会形成扩径，同时会使计算好的混凝土充盈系数满足不了使孔底沉渣、浮浆托出到建筑500～1000mm，造成桩头混凝土强度低。

3.1.7 当地层黏土层的塑性较好，下好钢筋笼后，又不能及时浇灌混凝土，黏土被地层压力缩入孔中，形成缩颈桩。

4 声波透射法现场检测应用

4.1 埋设声测管法

在进行声测管预埋时，需要以确保测量结果的准确性为主要目的，提高对声测管数目、被测桩径大小的重视程度。在经过建筑工程大量的实践之后可以得知，一般情况下，为了能够保证超声波透射检测技术应用的准确性，需要将被测桩的桩径控制在大于600～800mm。与此同时，在进行声测管的预埋过程中，还需要注意保证桩径和声测管数目之间呈正比例关系，在被测桩径增大的情况下，用于预埋的声测管数目也要相应地增加[3]。

为了优化超声波透射法质量检测效果，一方面要注重检测人员的专业素质，另一方面必须关注检测设备质量，尤其是声测管埋设的规范性、技术性。否则会对桩基检测全过程带来直接影响，情节严重还会导致检测人员对结果的误判。鉴于此，根据声测管埋设提出以下要求。第一，声测管材质以钢管为主，尽管PVC管价格比较便宜，但是在施工绑扎、水泥水化等环节可能出现发热现象，致使管材变形、探头上下运动，影响检测工作实施效果，因此塑料PVC管一般不在考虑范围。第二，联结钢管声测管常规情况下采用螺丝口连接、焊接，焊接时不能损坏钢管和洞口，杜绝浇筑混凝土过程中渗透水泥浆体造成的管道堵塞问题。连接螺丝口可以在丝口位置缠绕麻丝，也可以起到避免水泥浆体渗入导致管道堵塞的效果。第三，当桩径小于1000mm时，应埋设二根管；当桩径大于或等于1000mm且小于或等于1600mm时，应埋设三根管；当桩径大于1600mm且小于2500mm时，应埋设四根管；当桩径大于或等于2500mm时，应增加声测管的数量。第四，桩基钢筋笼绑扎声测管，开始安装第一根，必须要与桩L轴心线平行，所有声测管也应保持平行。桩基钢筋笼上方的绑扎，杜绝松动问题。端承桩的桩底在绑扎、安装时要全程观察，声测管尾必须始终放置于桩底的同一水平面。埋设声测管时，尽可能地保持等距离分布，管口宜高出混凝土顶高程100mm。第五，桩基钢筋笼上绑扎声测管，建议采用缚钢板焊接声测管两端，保证两端衔接的牢固性与密封性，还可以避免异物掉落管道导致的声测管堵塞问题。第六，开始检测桩基前1天可以进行声测管露出部分的密封，建议切割薄钢板，此环节应该使用切割机，割掉薄板之后做好防护工作，严禁异物掉落导致堵塞问题。为了提高质量检测效率，施工人员使用测绳提前检查声测管的桩长、管内是否有异物堵塞现象，待这一环节检查结束可以在声测管内灌入清水，开始后续桩基质量检测工作。

图1 声测管布置示意图

4.2 现场检测

4.2.1 标定超声波检测仪发射至接收的系统延迟时间t0；

4.2.2 声测管内灌满清水，且保证换能器应能在声测管中升降畅通[4]。

4.2.3 准确测量声测管的管径和壁厚，测量精度为±0.lmm；测量桩头处声测管外壁相互之间距离，测量精度为±lmm。

4.2.4 采用超声波法检测时，声测管编号按路线前进方向的顶点为起始点，顺时针方向进行编号，编号方式示意图见下图2。

图2 声测管编号方式

4.2.5 组装好仪器设备，将纵向换能器分别置于声测管内，并放至声测管底部，读取纵向换能器测绳上的刻度，验证被检测桩桩长是否与设计桩长相一致。

4.2.6 打开仪器，输入桩基相关参数，并调试各剖面测点波形，待波形正常后开始检测，检测时纵向换能器匀速上升，且保证测绳刻度在同一高度。

4.2.7 检测过程中上下测点采集数据的间隔控制在250mm以内，连续检测至桩顶位置。

在应用超声波透射检测技术对建筑桩基进行检测时，首先需要应用平测法对全桩长进行普测工作，发现桩基存在缺陷或不足问题时，可以利用斜测和扇形扫测两种测量方法对桩身中存在的缺陷位置进行确定，然后再借助数据分析和计算过程对建筑桩基桩身的完整性进行评价。

4.3 解读数据

在室内借助分析软件处理检测数据，核对各桩基的设计参数，输入检测仪器的设备编号、各检测桩基声测管编号，校对声测管布置示意图；研究检测剖面上各测点的波形，确定首波位置，根据不同测点获取波幅、声速、声时、PSD值分析是否存在异常点，按照检测规程得出检测结论。①声速判据，在声速出现畸变时，表明桩身存在缺陷，混凝土强度不足。判断标准为：声速在4500～6000km/s，表明混凝土质量优；声速在3500～4500km/s，表明混凝土质量良好；声速在3000～3500km/s，表明混凝土质量差；声速小于3000km/s，表明混凝土质量非常差。②波幅判据，根据首波的波幅判断混凝土是否存在蜂窝、孔洞、离析等不均匀性，当测量波幅低于振幅临界值时，可判定该区域为质量缺陷可疑区域。③波形判据，波形是后续发射超声波叠加而成的，可用来作为声速、波幅、PSD判据的补充判据，以保证桩基质量判断结果的可靠性。④PSD判据，PSD是声时—深度曲线上相邻两点连线的斜率与声时差的乘积，当声时发生变化时，PSD会出现大幅度变化，更容易判别混凝土质量缺陷的所在位置。通过分析被检桩各剖面的声速-深度、波幅-浓度曲线及各自的临界值，声速、波幅的平均值等参数，分析桩身缺陷位置及程度，判定桩身完整性类别[5]。

5 结束语

在桥梁桩基检测中应用超声波检测技术，要切实做好声测管制作与埋设工作，合理地放置声测管和校正换能器精度，同时注意提高频谱解析精度，科学地确定采样频率，保证最大限度提高超声波检测结果的准确度及可靠度。