缺陷樁基聲波透射法檢測的現(xiàn)場模型試驗研究

付羅杰

（岳陽市交通運輸綜合行政執(zhí)法支隊 湖南岳陽 414000）

灌注樁廣泛應(yīng)用于市政工程領(lǐng)域，其在施工過程中常因一些不可控的因素而易出現(xiàn)缺陷，如縮徑、斷樁、夾泥、離析等狀況。缺陷的出現(xiàn)嚴重影響了灌注樁的質(zhì)量，通常表現(xiàn)為樁體承載力下降、沉降量變大等問題，對于這些缺陷，如果處理不當(dāng)將會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至引發(fā)嚴重的工程事故［1-3］。

關(guān)于聲波透射法，由于其具有操作簡單、精度高等特點，因此被廣泛應(yīng)用于灌注樁的檢測之中。目前就聲波透射法的研究主要集中于樁基缺陷位置、范圍及程度上，而關(guān)于缺陷類型的分析相對較少［4-5］。在實際工程中，樁身缺陷類型對基樁承載力及變形量的影響非常大，目前對缺陷樁的處治和利用大多也依靠經(jīng)驗，缺乏相關(guān)的試驗研究。

基于此，本文擬對缺陷樁進行現(xiàn)場模型試驗研究，采用聲波透射法，從聲學(xué)理論著手，收集樁基完整部分及缺陷部分的聲學(xué)參數(shù)，并通過分析不同類型缺陷的聲波數(shù)據(jù)獲取不同缺陷類型對波速、波幅、PSD值等的影響規(guī)律，以期為樁基缺陷類型的判定，后期加固處治方案的甄選等提供技術(shù)支撐。

1 聲波透射法相關(guān)參數(shù)

所謂聲波透射法是指在預(yù)埋的聲測管之間發(fā)射并接收超聲波，通過實測聲波在樁體混凝土中傳播的時間、頻率及波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的相對變化來判斷樁身完整性［6］。當(dāng)樁身質(zhì)量較好時，則聲波傳遞速度較為穩(wěn)定，而當(dāng)樁身存在缺陷的時候，就會在曲線上出現(xiàn)突變或同一深度測點間的速度相差較大，出現(xiàn)異常低值區(qū)，下面先對相關(guān)判據(jù)進行簡介［7］。

1.1 聲速（或聲時）判據(jù)

混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性與外部環(huán)境條件等多種因素制約，其聲波傳播特性反映了混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系［8］。根據(jù)彈塑性介質(zhì)中波動理論，應(yīng)力波波速為：

其中，E為介質(zhì)的動態(tài)彈性模量；ρ為密度；μ為泊松比，而彈性模量與介質(zhì)的強度之間存在相關(guān)性。

用聲速的平均值μv與2 倍聲速標準差δv之差作為判斷樁身有無缺陷的臨界值。

其中，

式中：n為測點數(shù)；vi為第i個測點的超聲波速度；μv為聲速平均值；Sv為用于判斷樁身缺陷的臨界值［9］。

1.2 波幅判據(jù)

取接收到的波幅平均值的1/2 作為判斷樁身有無缺陷的臨界值：

式中：μq為波幅的平均值；qi為第i測點的波幅值；qd為用于判斷樁身有無缺陷的臨界值。

1.3 PSD判據(jù)

對超聲波探測樁身質(zhì)量的評判，主要采用聲時-深度曲線相鄰兩點之間的斜率與差值之積作為判據(jù)，即PSD判據(jù)，其形式為：

其中，Ki為第i測點的判據(jù)值；ti和ti-1為相鄰2 測點的聲時值；Hi、Hi-1為相鄰2測點的深度［10］。

2 場地條件

本次開展的是足尺現(xiàn)場模型試驗，試驗場地地基淺層為厚度約為1.5 m 的雜填土，雜填土以粘性土為主，含碎石、磚渣及建筑垃圾等，1.5～6.0 m為石英硅質(zhì)巖碎屑為主，夾少量砂礫及粘性土；6.0 m 以下為含礫粉質(zhì)黏土，地下水位低于6.0 m，樁基采用人工挖孔樁方式成孔，孔壁具備自穩(wěn)能力，開挖過程中不需支護。

3 模型樁及缺陷類型的設(shè)計

3.1 模型樁的設(shè)計

本試驗中設(shè)置2根樁基，命名為1號樁及2號樁，2根樁的直徑均為1 000 mm，樁長為5 m，樁身混凝土強度為C30，按照構(gòu)造要求配筋，試驗樁設(shè)計截面如圖1 所示，依據(jù)規(guī)范在鋼筋籠上設(shè)置3根聲測管，聲測管的布置如圖2?所示，試驗樁現(xiàn)場施工如圖2?所示。

圖1 試驗樁截面Fig.1 Test Pile Section （mm）

圖2 試驗樁中聲測管的布置示意圖及試驗樁現(xiàn)場施工Fig.2 Arrangement of Acoustic Measuring Tubes in Test Piles and Site Construction of Test Piles

3.2 缺陷類型的設(shè)置

樁基缺陷位置的設(shè)置是在前期調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，結(jié)合本地區(qū)樁基工程施工過程中通常出現(xiàn)的問題，有針對性進行的設(shè)計，其中1 號樁設(shè)置的缺陷為：距樁頂4.2～4.4 m 處設(shè)置斷樁，但鋼筋保持連續(xù)貫通，距離樁頂1.6～1.8 m 處部分斷面設(shè)置夾泥，樁的頂部設(shè)置離析；2 號樁設(shè)置的缺陷為：距樁頂3.6～4.0 m 處設(shè)置斷樁，斷樁中間夾雜雜質(zhì)，但鋼筋保持連續(xù)貫通，距離樁頂1.4～2.0 m 處部分斷面設(shè)置縮徑，樁頂部部分截面設(shè)置分散性泥團及“蜂窩”狀缺陷。

斷樁的設(shè)置：采用易于加工的木板制作成環(huán)形墊片，澆筑混凝土?xí)r，用鋼尺測量確定墊片放置的位置，環(huán)形墊片如圖3?所示；夾泥設(shè)置：在混凝土澆筑過程中，在設(shè)計位置添加適量的黃土；離析設(shè)置：在混凝土澆筑過程中添加適量的級配碎石，如圖3?所示；縮徑設(shè)置：在樁基的側(cè)面添加一些泥塊，達到減少樁基直徑的目的；分散性泥團及“蜂窩”狀缺陷設(shè)置：在混凝土中添加部分黏土或級配碎石攪拌后再澆筑。

圖3 樁基中斷樁的設(shè)置及混凝土離析的設(shè)置Fig.3 Site Construction of Test Piles and Concrete Segregation Settings

4 模型樁的現(xiàn)場測試及分析

4.1 模型樁的現(xiàn)場測試

試驗樁澆筑完成后，待其達到設(shè)計強度后進行檢測，采用基樁多跨孔超聲波自動循測儀進行現(xiàn)場檢測，聲測管的編號如圖4?所示，現(xiàn)場測量1-2 斷面聲測管間距為54 cm，2-3 斷面聲測管間距為45 cm，3-1斷面聲測管間距為54 cm。采用平測方法對樁基進行現(xiàn)場測試，測試方法如圖4?所示，試驗結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 聲測管現(xiàn)場布置及測試方法示意圖Fig.4 Acoustic Tube On-site Layout and Field Test Method

圖5 1號樁聲波透射法檢測結(jié)果Fig.5 Results of Pile 1 Acoustic Transmission Method

圖6 1號樁聲波透射法檢測波列-深度曲線Fig.6 Detection of Wave Train-depth Curve by Acoustic Transmission Method for Pile 1

圖7 2號樁聲波透射法檢測結(jié)果Fig.7 Results of Pile 2 Acoustic Transmission Method

圖8 2號樁聲波透射法檢測波列-深度曲線Fig.8 Detection of Wave Train-depth Curve by Acoustic Transmission Method for Pile 1

4.2 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

1 號樁距樁頂4.2～4.4 m 斷樁處PSD、波幅及聲速明顯降低，對聲學(xué)參數(shù)影響最大處在斷樁的中部位置，PSD 值明顯增大，波幅大幅降低，最低波幅為86.4 dB，聲速受影響也較大，最低聲速為2.967 km/s；距離樁頂1.6～1.8 m 設(shè)置夾泥處，1-2 斷面及1-3 斷面聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常，PSD 值明顯增大，波幅最低為92.5 dB，聲速最低為3.506 km/s；樁的頂部設(shè)置離析處，聲學(xué)參數(shù)變化明顯，PSD快速增大，而波幅及聲速明顯降低。

2 號樁距樁頂3.6～4.0 m 斷樁處PSD、波幅及聲速明顯降低，對聲學(xué)參數(shù)影響最大處在斷樁的中部位置，PSD 值明顯增大，波幅大幅降低，最低波幅為85.8 dB，聲速明顯降低，聲速最低為1.418 km/s，因斷層間有其他非連續(xù)性雜質(zhì)，所以聲學(xué)參數(shù)波動非常明顯；距離樁頂1.4～2.0 m 設(shè)置縮徑處，1-2 斷面及1-3 斷面聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常，PSD 值明顯增大，波幅最低為92.6 dB，聲速最低為3.158 km/s；樁頂部部分截面設(shè)置的分散性泥團及“蜂窩”狀缺陷處，1-3 斷面及2-3 斷面PSD、波幅及聲速均有降低。

通過1 號樁及2 號樁的現(xiàn)場測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，混凝土聲速與強度及致密性之間存在正相關(guān)性，當(dāng)樁體內(nèi)部有空縫存在時，超聲波只能繞過空縫傳播，因此傳播路程增加，測得的聲時必然偏長，其聲速降低。當(dāng)樁基混凝土中存在夾泥、離析、蜂窩等缺陷時，波傳播過程中吸收及散射衰減增大，其聲幅明顯下降，PSD顯著增加。

5 結(jié)論

通過對樁基的幾種常見缺陷進行現(xiàn)場模型試驗研究，獲得了以下幾點結(jié)論：

⑴通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，可依據(jù)聲參數(shù)檢測值與異常判斷臨界值的偏離程度來判斷缺陷的程度及類別，且不同類別的缺陷其表現(xiàn)形式也存在差異，由此能減輕傳統(tǒng)方法對缺陷程度判定上的主觀隨意性。

⑵當(dāng)樁基內(nèi)部為連續(xù)性缺陷時，聲學(xué)參數(shù)異常會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，當(dāng)缺陷為不均勻非連續(xù)介質(zhì)時，聲學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)出無規(guī)律的變化狀況，通過對不同類別缺陷的分析總結(jié)，可為后期類似缺陷的檢測提供參考。

樁的完整性檢測，由于受到諸多不確定性因素的影響，其缺陷類型也存在較大的差異，實際檢測過程中，需根據(jù)具體的缺陷類型及程度進行針對性的分析，才能正確評價被檢測樁基的質(zhì)量。