基于声波透射法的无损检测技术在桥梁桩基检测中的应用研究

史耀华SHI Yao-hua

（甘肃省交通投资管理有限公司，兰州 730000）

0 引言

桩基作为建筑物的重要承载组件，能够有效地将建筑物的荷载传递至地基，从而确保建筑物的稳定性。然而，桩基的质量控制在地基工程中占据非常重要的地位，它直接关系到建筑物的安全与使用寿命。在桩基施工过程中，由于环境等自然因素的干扰，可能会导致桩基出现如桩身断裂、裂缝、不良变形等质量问题。传统的桩基检测方法，受限于工程量大、费用高昂、操作周期长等不足，亟需改进与优化。声波透射法作为一种新兴的检测技术，其理论基础源于声波在不同介质间的折射与反射特性。通过精确识别声波的传播轨迹与变化特征来精准探测目标物内部的缺陷与损伤。其基本原理是利用一组收发信器发射声波至被检测物体，并通过测量声波的反射、折射及透射等参数，如时间和能量，以解析物体的内部结构。声波透射法不仅能以非破坏性和非接触性的方式对桩基内部结构进行全面深入的探测，而且支持实时监测，为桥梁的运营与维护提供了强大的技术支持。

1 声波透射法无损检测技术原理

声波透射检测法的基本原理是利用声波在物质中传播时的特性变化来揭示材料的内部结构和性质。具体来说，就是当声波在材料中传播并遭遇到内部的缺陷或结构变异时，声波的传播特性如：声速、声强、频率等，关键参数会发生相应的改变。借助于精密测量这些参数的变化情况，能够精准推断出材料的内部结构状态及其物理性质，进而实现对材料的非破坏性、精准化的质量检测与评估。这一方法的基本原理如图1 所示，而其详细的工作流程则可见图2[1]。

图1 超声波透射法检测桩身结构完整性原理图

图2 声波透射法的工作过程

2 工程案例

2.1 工程概况

某特大桥全桥上部采用2×30＋（86＋2×160＋86）＋5×26m/2×28＋（86＋2×160＋86）＋2×26m 预应力连续刚构＋钢混组合梁，桥梁全长679/619m，最大桥高约130m，下部采用柱式墩、柱式台，钻孔灌注桩基础，现对大桥桩基采用声波透射法进行了完整性检测[2]。

2.2 检测依据

中华人民共和国行业标准《公路工程基桩检测技术规程》JTG/T3512-2020。

2.3 测试方法

首先，将超声脉冲发射换能器和接收换能器放置于之前已经埋设的声测管中，并确保管内充满清水，以此作为声波传递的优质耦合介质。在检测环节中，确保发射换能器与接收换能器保持水平对齐，并进行精确的同步测量操作。同时，系统地采集并记录各个测量点的关键物理参数，如声时和波幅等，以便进行后续的数据分析和处理。当检测到波幅或声速出现异常（可能意味着该处存在潜在缺陷）时，需要在该测量点附近增加测量密度。为提高检测精度，可以采用多点发射，并在不同深度进行接收的扇形测量法，或者实施高差同步的水平测量、斜向测量以及扇形扫描测量。这些测量方法的具体示意图可参见图3[3]。

图3 平测、斜测和扇形扫测示意图

2.4 检测仪器

检测仪器如表1 所示。

表1 主要仪器设备一览表

2.5 桩基平面图及声测管

大桥桩基编号及平面图见图4；声测管编号按路线前进方向顶点位置为A（1），顺时针依次为B（2）、C（3）……以此类推如图5 所示。

图4 大桥桩基编号及平面图

图5 声测管编号示意图

2.6 判定标准

①Ⅰ类桩：指所有测量点的声学参数均处于正常范围，且接收到的波形也保持正常状态。②Ⅱ类桩：在一个或多个剖面中，存在多个测量点的多个声参量出现轻微异常，这些异常在深度和径向方向上形成较小的区域。③Ⅲ类桩：在某一深度范围内，一个或多个剖面中存在多个测量点的多个声参量明显异常，这些异常在深度或径向方向上形成较大的区域。④Ⅳ类桩：在某一深度范围内，多个剖面上的多个测量点的个别或多个声参量异常严重，这些异常在深度或径向方向上形成很大的区域。[4]

2.7 问题桩施工过程分析

在9 号桩的浇注作业中，当采用导管浇注技术浇筑至距离桩顶大约15m 的位置时，观察到混凝土的使用量出现了轻微的增长，具体情况可参见图6 的详细展示。

图6 9 号桩的高程——声速（波幅，PSD）图

2.8 问题桩数据分析

根据曲线图分析，发现在15m 至19m 的深度范围内，波速和波幅显著偏低，且波形出现严重畸变，如图7 所清晰展示。以AB 面为参考，针对缺陷较为明显的AC 面进行了详细检测。采用概率法和半波法对数据进行处理，得出如表2 所示的结果。

表2 声速与波幅参数

图7 9 号桩缺陷处的波列图

从表2 中数据可以看出，在17.3m 至38.9m 的深度范围内，声速接近或达到声速的限定值。特别是在17.3m 和17.5m 这两个深度点，声速甚至低于限定值。同时，波幅在17.3m 至18.9m 的九个检测点中，前七个点的波幅均低于波幅限定值。考虑到此桩仅在AC 面存在较为严重的问题，而AC、BD 两个主要截面并未发现明显异常，综合以上分析，该桩被判定为Ⅲ类桩。针对此类问题，建议采取压浆处理措施以进行修复。

2.9 钻芯取样验证

鉴于施工方对先前的检测结果存疑，为进一步验证，决定采用钻芯取样方法进行确认。对AC 面实施了钻芯取样，其结果如图8 所示。

图8 9 号桩的钻芯取样结果

从芯样中可以清晰地观察到一条显著的裂缝，且芯样的实际长度相较于桩的整体长度短了十几公分。基于上述观察可推断在灌注过程中，当灌注深度达到约15m 时，可能发生了塌孔现象。塌孔导致的泥土掉落并被混凝土夹杂，从而对桩身的整体质量产生了不利影响[5]。

2.10 治理问题桩后的整体检测结果

对问题桩采取压浆处理后对整体桩基再次进行声波透射法检测结果均显示良好，取得了不错的整治效果。

3 结语

在桥梁桩基工程中，桩身可能存在的多种缺陷，如断裂、缩颈离析、夹泥、空洞等，这些因素直接关系到整个工程的质量和安全。因此，采用声波透射法对桩基质量进行全面检测，已成为预防桥梁工程因桩基质量问题而产生重大安全隐患的重要措施。通过超声波法在桥梁灌注桩基项目中的实际应用效果来看，该方法不仅具有检测速度快、覆盖范围广的优势，还能提供准确的定量解释。特别是对于大型灌注桩的桩身质量检测，即评估混凝土的连续性和均匀性方面，超声波法被证明是一种最为直观且可靠的检测手段。此外，声波透射法桩基质量检测技术作为当前无损检测领域中的一种先进新型技术，其操作简便、检测精度高、不受具体桩基形态限制，并且检测效率高。随着我国科学技术的持续进步，这项技术的应用和创新前景非常广阔。它不仅能有效提升工程质量的保障水平，还能为建筑企业带来更高的经济效益。