混凝土灌注桩声波透射法检测技术及其应用

 引言
　　大直径混凝土灌注桩越来越广泛的应用在公路、桥梁、港口等工程中，灌注桩的施工过程中，容易产生离析、局部夹层、断桩、缩颈等桩身缺陷，无法从外观进行检查。如不通过检测，将会削弱基桩的力学性能和耐久性，给工程质量留下隐患。目前对灌注桩普遍采用无破损检测法（包括低应变反射波法和声波透射法）。但是低应变法因激振能量小，对深部缺陷及桩底反射不灵敏；桩身存在多处缺陷时，由于多个反本文由论文联盟http://收集整理射波相互干扰，形成复杂波列，故对桩身缺陷的类型、程度及位置都难以做出准确的判断。与低应变反射波法相比，声波透射法有其鲜明的特点：检测全面、细致，声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面，信息量丰富，结果准确可靠，且现场操作简便，不受桩长、长径比的限制[1]。
　　1 声波透射法的基本原理及检测技术
　　1.1 声波透射法检测混凝土灌注桩的基本原理 声波透射法检测灌注桩的原理可简述为：在桩身中预埋若干根声测管，声测管材质可以是钢管或pvc管，管内充满清水作为声耦合剂。然后将非金属超声波检测仪的发射换能器和接收换能器分别置于声测管中同一水平高度。检测过程中，收、发换能器保持同步移动，发射换能器发射超声波埋藏通过桩身混凝土到达接收换能器，判读出超声波穿过混凝土的声时、声速、接收波首波的波幅以及接收波主频等参数，对缺陷位置和缺陷程度进行判断。
　　1.2 声波透射法检测中声测管的埋设数量[2][3] jgj106-2003《建筑基桩检测技术规范》与jtg/tf81-01-2004《公路工程基桩动测技术规程》中规定的声测管埋设数量均是根据桩径大小进行划分。WWw.11665.CoM建筑规范中规定桩径大于2000mm时埋设4根声测管，而公路规范规定桩径大于1500mm时就要求埋设4根声测管，由此看出公路规范对于声波透射法的要求更严格。
　　1.3 声测管的埋设要求 ①声测管的材质采用无缝钢管或pvc管；声测管的底部应封死；②声测管埋设完成后为了防止异物落下，必须加盖；声测管的管口应高出桩头300mm。
　　1.4 声波透射法的检测仪器 我公司采用的仪器是武汉岩海公司的rs-sto1d（p）型非金属超声波检测仪，采用跨孔透射法进行桩身完整性检测。rs-sto1d（p）型非金属超声波检测仪由主机、收、发换能器、支架、套筒式管口滑轮组成。其中收、发换能器内的压电陶瓷易碎，粘接处易脱落，禁止敲击，检测结束后需放入海绵套筒内保护，收、发换能器的构造相同可互换使用。
　　1.5 声波透射法检测前的准备工作 ①声测管内注满清水。规范中明确规定声波透射法检测中的耦合剂为清水。若在声测管中灌入泥水或污水，静置一段时间以后，泥水发生沉淀使探头无法下到管底，会影响超声波的传送与接收。遇见这种情况我们采用的方法是：使用硬质pvc管插入声测管底部，将管底部的污水通过高压水泵的压力冲出，直到有清水翻出。②声测管通常埋设在桩基中，稍不注意都会在声测管中夹有异物，这将影响检测探头放到桩底，而且很容易导致探头夹在管中，造成不必要的损失。因此检测前用与换能器直径类似的钢筋头测试绳通到管底，检查声测管是否畅通。③对声测管进行编号定位，通常将位置在北的声测管定为a管。用钢卷尺在桩顶面测量两声测管的外径间距作为测距。这个测试值代表了整个测试剖面内各测点的间距。因此，声测管的平行度对测试精度的影响相当大。④对仪器的参数进行调整。根据测距的长度调整延迟时间。延迟时间的选择保证首波的起跳点距离屏幕左端10～20mm。
　　1.6 声波透射法检测中的注意事项 ①检测中采用的测试步距为25cm，当需要加密检测时的测距可选为10cm；②通过深度计数滑轮拽动收、发换能器的速度应尽量一致，一般为30～50cm/s；③通过套筒式管口滑轮使收、发换能器置于声测管中央，避免碰到声测管；④收、发换能器以相同的步长向上提升，其累计相对高差不应大于20mm，并随时校正，为了使两个换能器同步升降，在检测中需要有经验的

工人进行配合，发射与接收换能器的相对高差超过规定值后，主机将无法接收到信号；⑤仪器根据当前设置的状态参数采集声波信号。调整放大倍数和延迟时间，采集到理想的波形，使得仪器能正确的判读首波，如图1所示。如果波形不理想，判读不稳定，采样时调整放大倍数，使信号幅度达到约满幅度的1/5～3/5。图2所示的波形相当于噪音未采集到首波，这种情况下需要适当调整放大倍数使首波达到满幅度的1/5～3/5。

　　2 声波透射法的声学参数
　　2.1 声速——声速的测试值较为稳定，结果的重复性较好，受非缺陷因素的影响小，在同一根桩的不同剖面以及同一工程的不同桩之间可以比较，是判定混凝土质量的重要参数。实测时声速不是直接测试量，而是根据测距和声时计算的，声速的测试精度取决于测距和声时的测试精度，再次强调声测管的平行度的重要性。
　　2.2 波幅——对混凝土缺陷很敏感，是判定混凝土质量的一个重要参数。测试时通常以首波的波幅为准。但波幅的测试值受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等诸多非缺陷因素的影响，波幅的测试值没有声速稳定。
　　2.3 主频——主频的变化能间接反映混凝土质量的好坏，但其变化也受测距、仪器设备状态等非缺陷因素的影响，测试值不稳定，因此，主频漂移指标仅作为声速、波幅的辅助判据。
　　2.4 接收波波形——是反映混凝土质量的一个重要方面，它对混凝土内部的缺陷较敏感。现场检测时除逐点读取首波的声时、波幅外，还应注意整个接收波波形的变化，及时做出调整。
　　3 工程实例分析
　　我公司使用的仪器是武汉岩海公司生产的rs-sto1d（p）非金属超声波检测仪。检测过程中，当有2根以上声测管时，将声测管按顺时针旋转方向进行编号和分组，防止记录有错，并依次放入一对换能器。根据声测管间距调整合适的延时时间，使得采集到的首波在仪器屏幕合适的位置。采用一发一收平测，测点间距为250mm，从桩底至桩顶逐点检测出声时、声速、波幅以及主频等声学参数，根据声学参数来判定桩的质量。
　　3.1 完整桩 某市政桥梁工程4号墩的5号桩，桩径为1200mm，桩长10m。该桩3个剖面的声时-深度、波幅-深度、声速-深度曲线近似一条直线，各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常，分析结果4-5#桩为ⅰ类桩。其中图3为bc剖面的波形曲线。
　　3.2 桩内有泥团 某跨海大桥3号墩的1号桩，桩径为2000mm，桩长30m。该桩埋设4根声测管，仅在bd剖面存在声速与波幅下降的现象，可判定桩内有泥团，如果是泥团包裹声测管，至少两个剖面会出现声速与波幅下降的现象。图4为bd剖面的波形曲线。
　　3.3 桩身局部夹层 某高速公路桥梁工程0号墩2号桩，桩长9.0m，桩径为1200mm。在检测过程中发现，bc剖面在均桩顶7.14～7.64m范围内声学参数出现异常。经对其加密检测，在同一位置处声速降低，波幅出现陡降。经钻孔取芯以及灌注技术人员证实，bc剖面在7.14～7.64m范围内存在泥水混合物。其中图5为bc剖面的波形曲线。
　　3.4 断桩 断桩是桩基缺陷最严重的情况。其断桩部位的声时陡增，声速陡降，波幅严重衰减，甚至衰减100%，即无波形或者接收换能器无接收信号出现。图4为某高速公路基桩1号墩2号桩的声波透射法检测图，该桩检测长度为25.3m，ab、bc、ac剖面在16.16～19.76m范围内声速陡降，波幅衰减100%，接收换能器无接收信号出现，可判断为断桩。经施工技术人员证实当天灌注混凝土时等待时间过长使混凝土离析，又没有进行二次搅拌，灌注时大量骨料卡在导管内，不得不提出导管进行清理，引起断桩。
　　4 结语
　　声波透射法大直径混凝土灌注桩可以不受桩长的限制，能够对桩身全长范围进行全面检测，但是在工程实际中影响因素众多，容易导致错判或漏判，因此要求施工技术人员和检测人员在声测管埋设和检测时要密切注意，避免损失。