超声波法在桩基检测中的应用

【摘要】本文结合工程实例系统地分析了混凝土灌注桩完整性检测的超声波透射法。

　　【关键词】声波透射法；混凝土质量；声学参数

　　

　　混凝土钻孔灌注桩是桥梁常用的基础形式之一，,由于桩基础具有承载能力高、抗震性能好等优点在工程中得到广泛使用,它的作用在于穿过软弱地层,把来自上部结构中的荷载传递到更密实、更坚硬、可压缩性较小的土层或岩层,从而大大减少基础的沉降。因而桩基的质量对整个结构物的安全性、适用性起着决定性作用。

　　近年来，随着我国公路上程建设的迅速发展，众多的桥梁基础上程大量采用桩基础，桩基属隐蔽工程，施工质量难以很好地控制,灌注桩的成桩过程大多是在地面以下或水下完成的,施工工序繁多,质量控制难度大,极易产生断桩、缩颈、扩颈、离析等缺陷。但桩基础的质量直接关系到整个建筑物(构筑物)的安全，也关系到人民的生命、财产安全。因此加强桩基检测意义重大。目前灌注桩完整性检测的主要方法有反射波法、机械阻抗法、动力参数法以及超声波透射法。

　　超声波无损检测技术，具有技术相对简单、被测对象范围广、能够检测的深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、设备体积小、速度快、对人体无害及便于现场使用等优点。超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频度最高且发展较快的一种无损检测技术，目前已广泛应用于桩基础质量检测中。

　　1 超声波法的基本原理

　　超声波透射法检测桩身结构完整性的基本原理是:由超声脉冲发射源向混凝土内发射高频弹性脉冲波,并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性；当混凝土内存在不连续或破损界面时,缺陷面形成波阻抗界面,波到达该界面时,产生波的透射和反射,使接收到的透射波能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时,将产生波的散射和绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征,可以获得测区范围内混凝土的密实度参数。测试记录不同侧面、不同高度上的超声波特征,经过处理分析就能判别测区内混凝土存在缺陷的性质、大小及空间位置。由于混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体,对于正常的混凝土,声波在其中传播的速度是有一定范围的,当传播路径遇到混凝土有缺陷时,如断裂、裂缝、夹泥和密实度差异等,声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过,声波将发生衰减,造成传播时间延长,使声时增大,计算声速降低,波幅减小,波形畸变,利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化,来分析判断桩身混凝土质量。

　　2 声波投射测试方法

　　声波透射测试方法有平测法、斜测法和扇面测法三种，一般采用平测和斜测两种方法。

　　第一，平测法是将发射和接收两换能器始终保持在同一标高上，进行测试，通过平测可知道缺陷在垂直方向上的区域大小和严重程度。第二，斜测法是发射和接收两个换能器不在同一标高上，进行测试。第三，扇形测法即固定某一固定换能器，将另一换能器等间距移动，两换能器高程差不停变换，形能一扇面。其次，采用平测法时，容易将水平向（如桩横截面方向）较大而竖向（如沿桩身方向）很小的缺陷给漏掉。再次，存在一定范围的测试盲区，即只能测出声测管之间一定范围内砼是否有缺陷，不能准确测出桩身整个断面是否有缺陷。

　　3 检测数据的分析与判定

　　第一，声速、波幅和主频都是反映桩身质量的声学参数测量值。大量实测经验表明：声速的变化规律性较强，在一定程度上反映了桩身混凝土的均匀性，而波幅的变化较灵敏，主频在保持测试条件一致的前提下也有一定规律。其基本原理如下：在n次测量所得的数据中，去掉k个较小值，得到容量为（n-k)的样本，取异常测点数据不可能出现的次数为1，则对于标准正态分布假设，可得异常测点数据不可能出现的概率为：由φ(λ)=1/(n-k)在标准正态分布表可得与不同的（n-k） 相对应的λ值，每次去掉样本中的最小数据，计算剩余数据的平均值，标准差得对应的λ值。由式u0=um-λ•sx计算异常判断值并将样本中当时的最小值与之比较；当仍为异常值时，继续去掉最小值重复计算和比较，直至剩余数据中不存在异常值为止。此时，u0则为异常判断的临界在值u0。第二，波幅临界值判据式为Api　　4 常见问题或故障及处理

　　4.1 检测信号突然消失

　　有两种原因可产生该类现象:(1)声测管内无水；(2)设备系统故障。检查声测管内是否有水，可在采样状态下，迅速往声测管注水(以防声测管破裂造成水大量外流)至现象消除，否则，将换能器提出声测管，平行靠近(5 cm左右)放在空气中，采样、观察是否有接收波形，无接收波形，则设备系统故障。

　　4.2 判断设备系统的故障部位

　　将故障的设备换上平面换能器，将平面换能器的辐射面平行相对，相距5 cm 左右，进行采样，如波形正常，证明超声仪正常，仅仅是径向换能器故障。若判断换能器故障时，接上径向换能器，进行采样，如发射换能器发出响声、无接收波形，则接收换能器故障；如发射换能器无响声，仅将发射换能器更换成平面换能器，将平面换能器的辐射面对准径向换能器的辐射体(中间部位)，进行采样，如有波形，则接收换能器完好、发射换能器故障，否则，收、发径向换能器均有故障。

　　4.3 发射正常、接收时好时坏

　　换能器刚下水测试时波形正常，一会儿波形逐渐异常，甚至无接收波形，提出声测管后波形正常，或提出声测管、待换能器干燥后波形正常。该现象是由于换能器信号线破损漏水、水密性丧失、遇水压大时渗透到换能器主体造成，换能器故障，修复较为困难。

　　4.4 桩头最后一测点声速、幅度急剧下降

　　某此桩在桩头部位的最后一个或几个测点的声参量急剧下降，而桩头部位混凝上表现良好。该现象可能是使用机械设备剔除桩头时，引起声测管与混凝上脱离(产生间隙)或者混凝上局部破损(产生裂隙)而造成，可在声测管外壁或桩头混凝上浇清水，该现象好转。

　　5 结语

　　随着国家检测技术的发展,桩基将得到更广泛的应用。如何提高桩基检测数据和评价结果的准确性和可靠性,是工程界面临的问题。展望声波透射法基桩检测的前景,建议从以下几方面考虑:

　　第一，现阶段对基桩桩身完整性的评判采用波速、波幅、频率等单一的指标或者简单的两种指标的组合作为判断方法,没有考虑这几个指标的综合作用对基桩质量评判的结果。第二，声波透射法基桩检测要求预埋声测管使得声测管对基桩缺陷进行处理成为可能,使声波透射法基桩检测更为经济可靠。第三，现阶段对桩基础的无损检测结果判定只是停留在定性的水平上,没有做出定量分析,有待于进一步研究。

　　

　　参考文献：

　　[1]罗棋先.桩基工程检测手册[M].北京:人民交通出版社，2008。

　　[2]吴新璇.混凝土无损检测技术手册[M].北京:人民交通出版社, 2006。

　　[3]陈凡.徐天平桩基质量检测技术[M]. 中国建筑工业城出版社，2005。