路桥桩基检测中超声波技术的应用

陈怡昕

（福建省高速公路集团有限公司龙岩管理分公司，福建龙岩 364000）

1 项目概况

厦蓉高速东阳大桥共有涉铁桩基19 根，中跨8根，边跨11 根，中跨桩径为2.8m，桩长范围为54～106m，分别布置在跨漳龙铁路两侧，其距铁路最小距离为6.4m。由于直径大、桩长深、地质条件复杂（溶洞、易塌地层及斜岩），根据以往施工经验，单根桩基施工工期最长达222 天（约7 个月），已成为制约该工程的控制性工程。由于其距离铁路近，且溶洞多，为防止坍孔造成铁路安全隐患，施工时采取了注浆预处理、使用钢管向凝固桩周围孔壁溶洞注浆、注浆固结孔壁等措施，从而使桩基的稳定性得以提升，完成桩基施工后，为了确保桩基的施工质量，对桩基进行了检测，由于施工所在地地质条件比较复杂，采取超声波技术对桩基质量进行检测。该项目的桩基柱状图如图1 所示。

图1 桩基柱状图（单位：cm）

2 超声波技术在路桥桩基检测中的实际应用

2.1 技术应用原理

超声波技术应用于路桥桩基检测的主要原理是将超声波传播至混凝土内部时，观察声波、频率、波幅以及波形出现的变化，据此推断桩基混凝土存在的缺陷[1]。实际应用此项技术进行时，需要预先将声测管埋置于混凝土结构的内部，同时保证声测管内部注满水，然后将换能器放置在注满水的声测管之中，在实际检测时，换能器便能够对电脉冲信号进行转换，使之转变成超声振动，从而使超声波穿透混凝土，再通过换能器将其转变成电信号，然后通过专用的声波分析软件全面分析信号数据，得出分析报告。

然而，由于在混凝土的传播过程中超声波的声强及声压会递减，高频声波更容易衰减，因此在开展路桥桩基检测时，采用的超声波类型应为低频超声波。如果桩基直径扩大会降低超声波检测的准确度，如果路桥桩基为嵌岩桩或者是支护桩，还应与低应变检测方法结合应用检测桩端部位，以保证检测结果的准确性。

2.2 技术应用方法

2.2.1 基本检测装置

超声波检测的应用范围比较广泛，路桥桩基检测是其中的一个方面。针对路桥桩基检测需要配置专用的超声波检测设备，专门对桩基混凝土进行检测。主要设备包括换能器、计算机、电缆、传感器以及声音探测器等。其中，换能器分为接收和发射两种换能器，是超声波检测设备的主要构成部分，其主要是通过压电圆环所产生的径向振动对声波信号进行收发，其底端一般装置一个放大器，作用在于将信噪比增大，提升信号接收的灵敏度[2]。若在水中使用两个换能器，必须将换能器置于洁净水之中，避免水中的微小颗粒物或泥沙对超声波检测产生干扰，还要控制水流振动，防止其影响超声波传播。

2.2.2 安装声测管

在对该路桥桩基项目进行检测时，需要预先将声测管固定在钢筋笼内部，然后通过套筒连接进行管道配置，还可采取对接焊接、螺纹连接等方式进行管道配置，其中套筒连接具有良好的效果。预留管道的作用在于确保检测到指定位置，因此其埋深必须和桩底保持齐平，确保超声波检测的范围能够达到管底，从而掌握管底质量，同时需要保证顶部和底部密封严实，以免声测管中掺入杂质和泥浆，导致声测管发生堵塞。如果声测管的强度、数量不足，检测深度达不到要求，或是声测管质量较差，导致混凝土泥浆渗透到管内，会影响检测结果，导致误判[3]。

2.2.3 具体检测方法

（1）操作方法

超声波检测包含桩外孔、跨孔及单孔桩内三种检测方法，该项目所选方法为跨孔检测，因为这种检测方法具有较高的可靠性，在实际桩基检测项目中也比较常用，其他两种方法均适用于特殊情况。开展实际检测时，必须对每个桩基的整体进行检测，该项目桩内各设置三根声测管，实现桩内跨孔检测。

桩内跨孔检测可通过两个换能器形成的相对高程变化，采取斜测、平测以及扇形扫描等多种方法实现检测。可先选用平测法，确保两个换能器出现在同一平面内，这样可以全面覆盖从桩基断面检测到的各类缺陷，如果发现内部缺陷，发射换能器固定不动，此时接收换能器会处于内部缺陷处附近，并以扇形上下移动的方式进行检测，从而进一步确认缺陷的具体位置及大小。

（2）桩基混凝土缺陷类型

根据以往的检测经验可以了解到，桩基混凝土的缺陷类型包含三种，分别为局部缺陷、缩颈或附着泥团、断桩或层状缺陷。

其中，对于局部缺陷，采取平测可将其检出，但往往需要再通过斜测进行确认，如果平测和斜测中有一种检测出现异常，则可将其判定为局部缺陷，其具体位置在平测和斜侧测线交叉点处。

若出现缩颈或附着泥团的情况，则通过平测检测出异常情况之后，可采用斜测核实，缺陷位置通常在声测管周围或边缘部位。如果声测管两端均进行了测试，并且测试结果为异常，则说明该声测管已经被泥团包裹。

断桩或层状缺陷可采用平测以及斜测的方式进行检测，如果平测和斜测的测线处均出现异常状态，说明声测管周围或边缘部位的缺陷已经呈连续片状形态[4]。

（3）注意事项

因该项目路桥桩基检测可能会影响承台施工，因此开展实际检测时要注意一些事项，从而保证超声波检测的准确性。

首先，多数桩基缺陷均会体现在浇筑阶段，检测之前必须全面了解桩长、浇筑及所用材料情况，及时排除外界干扰因素，从而有效节约检测时间。

其次，应该抓住检测时机，在混凝土龄期达标后即刻开展检测，不可将检测工作提前。

再次，若出现堵管问题，要对两个换能器的高度进行调整，将两个换能器之间的夹角控制在合理范围内。如果堵管过长，则应该采取其他检测方法对整个桩基实施检测。

最后，声测管中的水必须保持注满状态，且为纯净水。

2.3 应用评价

2.3.1 声速和声幅

混凝土具备一定的弹性性能，因此超声波可以从中传播，并如实反映混凝土内部的组成关系。实际上，声速越大，表明混凝土的强度越强，混凝土质量越好；反之，声速比较小，说明混凝土浇筑质量易出现问题；声速比较小，同时伴有连续性的特点时，则能判定混凝土缺陷真实存在。判断声速时可采用低现值法以及概率法，实测发生声速异常，但测点的声速未发生异常，且比混凝土波动常规值低时，需要采用低现值法；桩基浇筑时，受材料质量和其他施工因素影响，导致缺陷位置声速与正态分布规律存在冲突，可采用概率法判定混凝土是否存在缺陷。

使用超声波技术开展桩基检测时，声幅（一般代表首波波幅）可以真实反映混凝土的均匀性和完整程度，检测过程中声波能量会逐步衰减，虽然会在一定程度上影响检测结果，但存在缺陷的混凝土中，声波能量的衰减程度要比正常混凝土衰减程度大，因此，衰减值是判定混凝土质量的重要指标。例如，当混凝土出现孔洞、蜂窝及离析等病害时，超声波在发射、接收的整个过程中，会受桩基内部介质影响而产生折射、反射及波形交换等一系列情况，所形成的复杂波束在仪器设备上会显示出比较复杂和频繁的信号，必须通过持续的观察准确判断信号间存在的差异，从而确定声幅、声速等指标与混凝土质量之间的关系。

2.3.2 超声波频率和波形

超声波一般由若干频率波构成，这些频率波存在高低之分，在混凝土内部中的衰减效果也存在差异。如果桩基混凝土质量存在问题，超声波发生衰减时会存在能量损失，从而造成接收波的频率减缓，在混凝土质量及项目施工环境的影响下，主频率的稳定性较差，其在实际检测中可用于辅助判定。

波形可判断桩基是否完整，波幅、声速以及PSD在判定时均需要借助首波完成计算，检测者一般需要结合这三项指标进行质量判定，但由于一些混凝土存在多相复杂性，可能导致混凝土质量缺陷易发生误判，如将缺陷不明显的混凝土视为质量合格的混凝土。

波形一般在超声波发射后呈叠加形式，形成的波束有不同的传播路径，波束前锋被接收探头感应的时间各不相同，以此获取桩基混凝土内部的各类信息。在正常混凝土内部环境下，声波的首波具有高振幅、无畸变、陡峭等特征，通过混凝土缺陷部位时，首波将会出现平缓、低振幅、喇叭状等特征，开展桩基检测时，可利用波形判断混凝土是否存在质量缺陷。

2.3.3 PSD 的判断依据

PSD 主要是指在桩基的某一位置，依照PSD 值结合波幅出现的变化，对异常点进行判定。判定原理是桩基的剖面位置所测声时往往会伴随测点高程出现的变化而变化，若混凝土出现缺陷，则测点与声时之间的关系会出现变化，但声时不会随测点变化而随意变动。PSD 判断对声时具有指数放大作用，在混凝土的缺陷位置，PSD 值的反应比较强烈，同时PSD 可消除声测管不平行状态、混凝土不均匀状态等影响因素，其在判断混凝土是否存在缺陷方面有较强的敏感性。

2.4 检测结果及分析

通过超声波技术对该项目桩基进行检测，该项目12#桩基的检测结果如表1 所示。通过表1 可以了解到，在跨距一定的条件下，PSD 值上下波动比较强烈，最大差值为100μs2/m，首波波幅也出现波动，最大差异可达到3.4dB。从声速指标来看，随着深度的不断增加，声速值总体增加，但在桩基距地面0.9～1.2m的位置，声速出现明显波动，说明此处混凝土质量存在缺陷。通过综合判定，认为该项目桩基混凝土质量存在缺陷。经过处理后再次采用超声波进行检测，各指标均合格。

表1 该项目12#桩基超声检测数据

3 结语

综上所述，超声波技术是一种常用且有效的路桥桩基检测方法，可以对混凝土内部缺陷进行检测，从而确定桩基质量，但该技术在实际应用中，必须严格按照要求和规定做好检测准备工作，在检测过程中按照技术规程进行操作，保证声测管合理安置，并综合运用扇形扫描、斜测和平测等多种方法对混凝土缺陷进行检测，以提升检测质量。该项目采用超声波技术对12#桩基进行检测，得到了桩基内部缺陷信息，准确定位了桩基缺陷位置，为桩基加固处理提供了信息支持。