基于低应变法和声波透射法的基桩完整性检测研究

汪应亲

（福建省交通规划设计院有限公司，福建福州 350007）

0 引言

随着我国基础设施建设步伐的加快，公路桥梁的建设规模也越来越大。基桩由于承载力高、沉降小、抗震能力强，在桥梁基桩中应用十分广泛。但是基桩属于隐蔽工程，施工质量不易控制，甚至部分施工单位偷工减料，容易出现断桩、缩颈、混凝土裂缝、夹泥（杂物）、空洞等病害，影响桥梁结构整体安全性，存在较大的安全隐患。如果对病害处治不当，可能引发重大伤亡事故，造成不良的社会影响[1]。如何加强基桩质量控制，成为检测单位需要解决的重要问题。低应变法和声波透射法检测都属于无损检测技术的范畴，可以精准地测出桥梁基桩的缺陷。因此，本文主要研究了低应变法和声波透射法的检测原理及其在公路桥梁基桩完整性检测中的技术要点。

1 桥梁基桩完整性检测原理

1.1 桩身完整性定义

桩身完整性是一个综合指标，主要是用来衡量桩身截面尺寸相对变化、桩身混凝土密实程度、桩身混凝土连续性等。根据《公路工程基桩检测技术规程》(JTG/T 3512—2020)，公路桥梁的基桩桩身完整性划分四大类[2]，如表1 所示。

表1 公路桥梁基桩完整性分类

1.2 低应变法检测基桩完整性原理

低应变法又称锤击法，属于无损检测技术，具有检测速度快、费用低、检测设备简单等优点。低应变法可用于检测桩身完整性，判断桩身缺陷类型、位置等，其检测理论是基于“一维弹性杆应力波波动理论”。低应变法检测基桩完整性基本原理为：在基桩顶部锤击检测部位，给桩提供一定的能量，产生纵向弹性波。纵向弹性波会沿着基桩混凝土向下传播，当弹性波传至病害位置（在交界处阻抗有明显变化）会产生反射波，反射信号会被安装在桩顶的传感器拾取。经检测仪对反射波进行放大、滤波等处理后，即可计算出弹性波在基桩各部位的传播速度，通过波速可判定基桩病害所在位置[3]。

对于完整性好的桥梁基桩，弹性波传播速度Vp可按式（1）计算：

式（1）中：L为桥梁基桩长度，m；t为产生入射波至接收到反射信号耗费时间，s。

对于有缺陷的桥梁基桩，缺陷位置可按式（2）计算：

式（2）中：L0为桥梁基桩缺陷位置，m；t0为产生弹性波至接收到反射信号耗费时间，s；V0为多根合格桩的波速平均值，m/s。

1.3 声波透射法检测基桩完整性原理

声波透射法基桩检测是超声波检测的一个分支。相对于低应变法，声波透射法检测结果更加准确，不会受桩长、桩径比的限制。但是，声波透射法所使用的设备较昂贵，测试现场需施工单位提供水源。

声波透射法检测基桩完整性的基本原理为：基桩成孔后（灌注混凝土前），施工单位按设计图纸要求在桩身内部预埋声测管。在被检桩混凝土强度不小于设计强度的70%且不小于15MPa、养护龄期不少于7d时对基桩完整性进行检测。随后对检测数据进行处理、分析和判断，以明确基桩是否存在缺陷及缺陷范围，并判定出桩身完整性等级。

由上可知，声波透射法是根据测量的声速、声幅、频率等声学参数的变化规律来推断桩身完整性。不同声学参数与桩身完整性的关系阐述如下。

1.3.1 声速，如果声波在传播过程中遇到混凝土缺陷，要么绕过去，要么穿透过去，或者两者兼而有之。不论哪种情况，声波到达接收换能器的时间（初至时间）均比其在正常混凝土中的传播时间长。在计算测点声速时是基于换能器间直线距离，因此，桩身缺陷位置得到的声速值偏低。

1.3.2 声幅衰减，接收波波幅可用来表示声波穿透桩身混凝土后的能量衰减程度。接收波波幅越小，则声波能量衰减程度越大，反之亦然。由此可知，如果桥梁基桩桩身混凝土完整性差，存在明显缺陷时，接收波波幅会大幅度下降。

1.3.3 声波频率，桥梁基桩完整性检测用的声波一般是复频波，即一条波中含有多个频率。复频波穿透桩身缺陷位置后，不同频率的波衰减幅度有所差异。相关研究表明，高频波衰减要大于低频波。

2 桥梁基桩完整性现场测试技术要点分析

桥梁基桩在检测之前首先要收集被检测项目的勘察资料、基桩设计图纸、施工记录、施工工艺等，并明确委托方的具体要求[4]。

2.1 低应变法检测技术要点

2.1.1 桩头处理，为了准确测定桩身混凝土的波形，被检测基桩桩顶的混凝土质量应与桩身混凝土保持一致。公路桥梁基桩一般是采用灌注桩，很少采用预应力混凝土管桩，暂不考虑管桩的桩头处置。对于钻孔灌注桩，检测前应凿去桩顶的松散、破损混凝土，露出坚硬的混凝土表面。同时，将桩顶外露主筋切割掉，以免干扰正常波形。

2.1.2 检测仪器，用于检测基桩完整性的仪器性能指标不应低于现行《基桩动测仪》(JG/T 3055—1999）中所要求的2 级标准，且具有连续采集、快速存储、显示实测信号、处理信号等功能。实心桩和空心桩上的传感器安装点及激振锤击点位置如图1 所示。

图1 传感器安装点及激振锤击点位置

2.1.3 检测位置，基桩施工完成后，没有必要检测所有的基桩，检测单位应针对施工质量控制不严格的桩、设计方认为重要的桩、地质条件与勘察不符的桩、使用新工艺施工的桩等按一定的比例抽检。需要注意，在检测结果中如果发现Ⅲ、Ⅳ类桩数量之和超过抽检基桩总根数的20%，为了保证基桩检测质量需在未检基桩中增加抽检的比例。

2.1.4 检测时间，采用低应变法和声波透射法检测基桩完整性时，被检桩混凝土养护龄期不应少于7d。

2.1.5 力锤选择，在低应变法中，力锤是能量源，型号选择十分重要。桥梁基桩较长时，要求脉冲力持续时间长，这样才能准确看到桩深部的反射波，此时建议使用较软、较重、直径较大的锤；桥梁基桩较短时，要求脉冲力持续时间短，要求力谱高频成分丰富，建议使用较硬、较轻、直径较小的锤[5]。本文推荐使用落锤或力棒进行检测敲击，使用时应避免二次冲击，防止后续波的干扰。

2.2 声波透射法检测技术要点

声波透射法的桩头处理方法、检测时间和检测位置确定原则与低应变法保持一致，本节不再赘述。

2.2.1 检测方式，声波透射法检测混凝土桥梁基桩主要有桩内跨孔透射法、桩内单孔透射法、桩外孔透射法等，其中桩内跨孔透射法成熟可靠，是最主要的检测形式，其他两种方法检测可靠性较低，仅用于特殊场合。

2.2.2 声测管选用，平面布置：声测管是径向换能器的通道，其埋设数量会直接影响基桩检测面的个数和检测结果的精确度。根据相关规范，基桩内声测管埋设数量由桩径大小决定，符合工作既细致又经济的双重要求。如图2 所示：当桩径小于1.0m 时，桩内布置2 个声测管；当桩径介于1.0～1.6m 之间时，桩内布置3 个声测管；当桩径介于1.6～2.5m 之间时，桩内布置4 个声测管。为了便于复检，声测管应沿桩截面外侧呈对称形状布置，检测剖面按某一明确标示的方向顺时针旋转依次编号。

图2 基桩声测管平面布置

管材要求：基桩检测使用的声测管的强度和刚度应满足设计要求，不可选择劣质产品，以免混凝土灌注期间，声测管出现变形，检测探头无法放入；同时，声测管还要有较大的透声率。

基桩检测常用的声测管有钢管、钢质波纹管、PVC 管等，其中钢管便于安装，可代替部分钢筋截面，但价格相对较贵，常用于大直径灌注桩；钢质波纹管的管壁薄、抗渗性好、强度高，可直接绑扎在钢筋笼主筋上，常用于中小直径桩的声波检测通道；PVC 管声阻抗率较低，常用于小直径灌注桩。

内径和壁厚要求：声测管内径建议比径向换能器大10～20mm，管壁要在满足设计刚度前提下薄一些。桥梁基桩检测时常用的声测管为2 英寸管，即外径为60mm、内径为53mm 的声测管。

2.2.3 声测管埋设，为了确保检测方法有效，基桩内预埋的各个声测管应尽量保持平行。主要原因在于：声参数对测距的变化非常敏感，两个声测管不平行时，检测人员可能把因测距变化所引起的声学参数变化误认为是混凝土质量不满足要求所引起的，肯定会给基桩检测数据的分析、结果判定带来一定程度的干扰。即使在部分情况下，可通过对斜管测距进行修正来补救，但当声测管严重弯曲时往往无法对测距进行合理的修正，使检测失败。因此，基桩声测管的预埋质量（特别是平行度）应引起检测人员的高度重视[6]。

2.2.4 标定测试系统延迟时间，标定测定系统延迟时间的方法是把发射、接收换能器平行放入清水中，逐次改变点源距离并测量相应声时，记录若干点的数据并作出时距曲线，按式（3）进行标定：

式（3）中：t为声时，us；t0为时间轴上的截距，us；b为直线斜率，us/mm；l为换能器中心间距，mm。

3 桥梁基桩完整性检测实例分析

3.1 工程概况

本文依托某高速公路桥梁项目，分析基桩完整性测试结果。该桥梁位于丘陵地带，设计荷载为公路-I级，主线为双向4 车道，桥面铺装层厚为10cm，地下水丰富，雨水较充足，年平均降雨量约为988mm，主要集中在7～10 月份。根据施工图地勘资料，该桥梁位置覆盖层厚度较大，约为5.5～8.6m，主要由淤泥、粉质黏土、白云质灰岩、砂岩等组成，初步拟定基桩按端承桩设计，以砂岩为持力层。研究对象编号为1#基桩，桩长为18m，桩径为1.5m。

3.2 现场测试步骤

1#基桩的完整性检测采用超声波透射法，检测仪器选择RSM-SY7(E)基桩多跨孔超声波自动遁测仪，具体检测步骤如下：第一，采用平测法对基桩各个检测剖面进行普查，找出声学参数异常测点；第二，对声学参数异常的测点用斜测法或扇形扫测法进行加密测试，既可以验证第一阶段的检测结果，还能进一步细化检测异常部位。

3.3 现场测试结果

1#基桩完整性检测结果如图3 所示。

图3 1#基桩完整性检测结果

由图3 检测结果可知：桩长与设计一致。以声速为判据，桩在10.25m 和12.75m 处的波速低于声速，判定值为3509m/s，判定这两处可能存在一定的缺陷；以波幅为判据，桩身各位置的波幅均高于判据值83Db，无异常；以PSD 为判据时，PSD 曲线在10.25m 和12.75m 处存在突变。综上所述，该桩在10.25m 和12.75m 处轻微缩颈，属于Ⅱ类桩。

4 结论

本文研究了低应变法和声波透射法的基桩检测原理、检测技术要点，并依托某高速公路桥梁项目，对检测结果进行实践检验和分析，主要得到以下结论：第一，低应变法检测基桩是基于一维弹性杆应力波波动理论，声波透射法是利用声速、声幅、频率等声学参数来推断桩身完整性；第二，低应变法和声波透射法检测之前，要收集好被检测项目的相关资料，明确检测仪器指标、检测时间、桩头处理方法、力锤和声测管型号等；第三，现场利用声波透射法检测基桩完整性时，可先用平测法，再用斜测法或扇形扫测法加密测试，将检测结果相互对照。