聲波透射法在橋梁樁基缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用研究

李鵬 王育鋒

摘 要：隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，樁基在交通領(lǐng)域的作用也日益凸顯，然而樁基工程作為隱蔽工程，在施工過(guò)程中所受到的不確定性因素較多，樁基的安全性以及其施工的質(zhì)量也越來(lái)越受到關(guān)注。聲透射法檢測(cè)樁基能夠迅速的、準(zhǔn)確的、經(jīng)濟(jì)的發(fā)現(xiàn)缺陷位置、大小、類(lèi)型等參數(shù)而得到廣泛的應(yīng)用。為此，本文基于聲波透射法的工作原理，結(jié)合具體案例，對(duì)其檢測(cè)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：聲波透射法;橋梁樁基;檢測(cè)結(jié)果

1 聲波透射法的工作原理

聲波透射法的原理主要是通過(guò)在樁的一側(cè)發(fā)射探頭把電能迅速轉(zhuǎn)化成聲波等機(jī)械能，利用探頭發(fā)出的超聲波可穿透混凝土樁的性質(zhì)，在混凝土樁的另一側(cè)，用接收探頭接收超聲波并將超聲波還原處理成電信號(hào)同時(shí)做放大處理到可在示波器上清晰顯示的程度，數(shù)碼顯示器可清晰顯示聲波的歷時(shí)并將打印數(shù)值。結(jié)合所探測(cè)的混凝土厚度、發(fā)射與接收探頭的距離及超聲波脈沖發(fā)出與到達(dá)時(shí)間，可以計(jì)算得到超聲波在混凝土樁內(nèi)的傳播聲速。

利用計(jì)算得到的超聲波聲速可以對(duì)樁身混凝土的質(zhì)量進(jìn)行直接判斷，得到的超聲波波速越大說(shuō)明混凝土越密實(shí);聲速越小則說(shuō)明混凝土越松散，或是聲波脈沖傳輸路徑中存在缺陷，如孔洞、裂縫、離析等。通過(guò)這一方式能夠?qū)渡砘炷恋耐暾耘c質(zhì)量加以較好的檢驗(yàn)。

聲波透射法檢驗(yàn)樁身質(zhì)量的主要內(nèi)容是將測(cè)管預(yù)埋在樁身中并將測(cè)管的下端口密封。利用聲波投射法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先把耦合劑（通常采用水或機(jī)油）灌入管內(nèi)并充滿(mǎn)，隨后將聲波發(fā)生探頭和聲波接收探頭分別放置在預(yù)測(cè)管內(nèi)不同高度，保持一定的高度差。

測(cè)試中保持2個(gè)探頭同時(shí)下降或上升。測(cè)試可以選擇自動(dòng)法或者手動(dòng)法，若選擇自動(dòng)法，則需要將聲波探頭沿樁長(zhǎng)提升或下降1次;如果選擇手動(dòng)法，則需要在探頭提升一定距離后進(jìn)行1次檢測(cè)，以取得波速沿樁長(zhǎng)的變化曲線(xiàn)。在正常混凝土樁中聲波的傳播速度是：3200～4000m/s，如果傳播過(guò)程中遇到的混凝土存在一些缺陷，那么聲波就會(huì)出現(xiàn)衰減的情況，有些聲波會(huì)跳過(guò)缺陷傳播，這就在一定程度上延長(zhǎng)了傳播時(shí)間，使波速減小，這種情況可稱(chēng)之為漫射現(xiàn)象。

如果傳播過(guò)程中遇有空洞的空氣界面，就會(huì)出現(xiàn)反射和散射，這會(huì)減小聲波傳播的波幅。導(dǎo)致混凝土無(wú)法連續(xù)的這些缺陷最終導(dǎo)致聲波的傳播路徑復(fù)雜化，波形畸變。因此，超聲波在存在孔洞、裂縫等缺陷的混凝土中傳播時(shí)，則超聲波波幅會(huì)較正常波幅大幅減小，聲時(shí)會(huì)加大，波形發(fā)生畸變情況。

2 聲波透射法在橋梁樁基缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

1）設(shè)備儀器選擇。在具體應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)對(duì)其儀器設(shè)備進(jìn)行選擇設(shè)置。其中，聲波透射法中的收發(fā)換能器主要負(fù)責(zé)其聲波發(fā)放、接收任務(wù)。其具體參數(shù)設(shè)置如下：第一，該儀器設(shè)備的外徑小于測(cè)管內(nèi)徑，有效工作段長(zhǎng)度不大于150mm;第二，該諧振頻率要設(shè)置在30-50kHz，且水密性滿(mǎn)足1Mpa水壓不滲水;第三，聲波透射法中的設(shè)備檢測(cè)儀器需要具有一定的可視性、顯示功能?？梢詫?shí)時(shí)顯示與自動(dòng)信息記錄檢測(cè);第四，該儀器設(shè)備系統(tǒng)頻帶寬度應(yīng)設(shè)置為1kHz～250kHz上下之間，且最小采樣相關(guān)間隔需小于0.5μs，其測(cè)量誤差率應(yīng)小于3%。

2）聲測(cè)管埋設(shè)。在聲測(cè)管埋設(shè)置中一定要注重其科學(xué)性、合理化。具體如下：當(dāng)樁徑小于等于800mm時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況與具體要求埋設(shè)2根以上的聲測(cè)管;該樁徑應(yīng)在800mm-1600mm之間。此時(shí)應(yīng)該埋設(shè)4根以上聲測(cè)管器材;當(dāng)樁徑大于2000mm時(shí)，可以預(yù)埋4根以上的聲測(cè)管。同時(shí)，聲測(cè)管內(nèi)徑宜50-60mm。對(duì)聲測(cè)管布置，需要對(duì)其進(jìn)行沿樁身通長(zhǎng)設(shè)計(jì)，且對(duì)其下端進(jìn)行封閉，目的是保障其焊接質(zhì)量，防止混凝土跑漿至聲測(cè)管內(nèi)。在進(jìn)行混凝土澆筑之前，一定要對(duì)聲測(cè)管進(jìn)行有效加固與綁定，保證其各個(gè)聲測(cè)管的有效平行。

3）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要點(diǎn)。第一，對(duì)聲測(cè)管暢通實(shí)際情況進(jìn)行檢測(cè)，先對(duì)聲測(cè)管進(jìn)行清水注滿(mǎn)，并將其收發(fā)換能器安放在不同設(shè)備聲測(cè)管當(dāng)中去。第二，平測(cè)中，收發(fā)換能器在進(jìn)行提升流程一定要與中其保持深度一樣;第三，斜測(cè)中，收發(fā)換能器進(jìn)行提升流程中一定要對(duì)其高差進(jìn)行保持，其兩個(gè)相關(guān)換能器連線(xiàn)同其水平角度應(yīng)小于40°。在其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)當(dāng)中，一旦發(fā)現(xiàn)其記錄信號(hào)中程曲線(xiàn)產(chǎn)生異常變化，可以對(duì)其聲測(cè)線(xiàn)及運(yùn)用斜測(cè)、扇測(cè)等手段等進(jìn)行增加，為排除其非樁身原因造成的異常變化奠定基礎(chǔ)。

4）數(shù)據(jù)分析。在選擇聲波透射法對(duì)其樁基進(jìn)行檢測(cè)中，主要以采集獲得的聲速、波幅、聲時(shí)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，將樁身混凝土的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行充分體現(xiàn);同時(shí)，也可以選擇計(jì)算聲時(shí)的方法，即在深度曲線(xiàn)上相近兩點(diǎn)連線(xiàn)中的斜率及聲時(shí)差統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行乘積PSD，最后進(jìn)行其質(zhì)量確定。在其實(shí)際測(cè)量中一旦發(fā)現(xiàn)其參數(shù)出現(xiàn)明顯差異，可認(rèn)定該樁身中的質(zhì)量存在嚴(yán)重問(wèn)題。另外，在對(duì)樁基質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，可以綜合以下方法，例如：平測(cè)法、扇測(cè)法、斜測(cè)法等技術(shù)手段。進(jìn)而為樁身缺陷的主要情況及情況程度進(jìn)行判定。當(dāng)然，也可能發(fā)生該聲測(cè)管出現(xiàn)不平行等情況，主要是該樁身質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題引發(fā)的聲學(xué)參數(shù)異常變化，進(jìn)而會(huì)對(duì)從檢測(cè)實(shí)質(zhì)結(jié)果造成波及。出于保證檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性、精準(zhǔn)性角度出發(fā)。一定要對(duì)其進(jìn)行規(guī)范糾正。最后，一定要結(jié)合該工程地質(zhì)實(shí)際情況、施工技術(shù)、施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及采集信息數(shù)據(jù)等，為樁身的完整性進(jìn)行科學(xué)、合理劃分，結(jié)合各種因素進(jìn)行全面判定。

3 案例分析

該橋梁工程樁基采用混凝土進(jìn)行灌注，混凝土強(qiáng)度為C30，工程共灌注421根樁，樁徑為1000mm，樁長(zhǎng)28m。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，該工程地層情況如下：

1）雜填土，平均厚度為3.47m，雜色，松散，土質(zhì)不均，主要成分為碎磚碎石混粉土，局部為混凝土地坪。2）粉土，平均厚度為5.36m，灰黃色，濕，稍密中密，含云母碎片，搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度和韌性低。3）黏土，平均厚度為5.89m，灰黃色，可塑，含鐵錳質(zhì)浸染和少量鈣質(zhì)結(jié)核切面光滑，韌性和干強(qiáng)度中等。4）粉質(zhì)黏土，平均厚度為8.74m，灰黃色，可塑，切面稍光滑，韌性和干強(qiáng)度中等。5）粉土，平均厚度為6.86m，灰黃色，濕，中密密實(shí)，含云母片，搖震反應(yīng)迅速，無(wú)光澤反應(yīng)，韌性和干強(qiáng)度中等。6）粉砂，平均厚度為5.69m，灰黃色，飽和，密實(shí)，顆粒級(jí)配差，含云母碎片，偶見(jiàn)砂盤(pán)，粒徑2-7cm，偶見(jiàn)貝殼碎片。7）黏土，平均厚度為4.88m，灰綠色，硬塑，含鐵錳質(zhì)浸染和鈣質(zhì)結(jié)核，切面光滑，韌性和干強(qiáng)度高。

本次檢測(cè)主要檢測(cè)樁身完整性和均勻性，一共檢測(cè)了30根樁基，樁徑有三種，800mm，900mm，1600mm，樁長(zhǎng)分別為6m，4m，8m。檢測(cè)工作參照現(xiàn)行基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范，本文選取了其中2根樁基的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別是1號(hào)基樁和2號(hào)基樁。

第一，1號(hào)基樁樁長(zhǎng)7m，當(dāng)以聲速作為判據(jù)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，樁身上部1.4m及2.1m處聲速明顯低于臨界值4.084km/s。當(dāng)以聲幅作為判據(jù)時(shí)，其值也低于聲幅臨界值88.4dB，并且聲時(shí)明顯變長(zhǎng)，PSD曲線(xiàn)發(fā)生突變，由此可以判斷出這兩處可能存在一定缺陷。5.9m～6.6mPSD曲線(xiàn)和聲波聲幅異常情況較嚴(yán)重，初步判斷存在缺陷，缺陷可能是由于混凝土離析出現(xiàn)粗骨料大量堆積細(xì)骨料較少造成的，該樁屬于Ⅲ類(lèi)樁。第二，2號(hào)基樁樁的聲速以及聲幅都不大于臨界值，PSD曲線(xiàn)沒(méi)有發(fā)生突變，由此判斷該樁的樁身完整性較好，屬于Ⅰ類(lèi)樁。

相較于其他的樁身完整性檢測(cè)方法，聲波透射法實(shí)時(shí)反映樁內(nèi)各點(diǎn)的聲時(shí)聲速波幅等數(shù)據(jù)，克服了受樁長(zhǎng)限制的缺陷，并且檢測(cè)時(shí)對(duì)樁身無(wú)損傷，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，因此得到高度認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，樁基是橋梁工程的基礎(chǔ)，屬于隱蔽工程，在施工條件、地質(zhì)環(huán)境、機(jī)械設(shè)備等眾多因素的制約下，很容易出現(xiàn)斷樁、離析、縮頸等樁基病害，這些病害將會(huì)對(duì)樁基耐久性、承載力造成嚴(yán)重影響。若無(wú)法及時(shí)、有效地對(duì)相關(guān)病害進(jìn)行檢測(cè)與處理，勢(shì)必會(huì)危害整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全?；鶚兜耐暾詿o(wú)損檢測(cè)方法有很多種，常使用的方法有低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波透射法及鉆芯取樣法。其中，聲波透射法以其靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)在橋梁樁基缺陷檢測(cè)中使用最為頻繁。

參考文獻(xiàn)

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