钻孔灌注桩中的超声波检验.doc

钻孔灌注桩中的超声波检验随着我国基础建设的迅速发展，桩基础已成为桥梁工程最常用的基础形式。由于其成桩质量受地质条件、成桩工艺、机械设备、施工人员、管理水平等诸多因素的影响，较易产生夹泥、断裂、缩颈、砼离析、桩底沉渣较厚及桩顶砼密实度较差等质量缺陷，危及主体结构的正常使用与安全，甚至引发工程质量事故。因此如何测定缺陷的位置，并准确地对其进行评价成为基桩质量检测的一个核心问题。一、超声波法检测原理及技术 （1） 超声波法检测的基本原理是:由超声脉冲发射源在砼内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在砼内传播过程中表现的波动特征；当砼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，使接收到的透射能量明显降低；当砼内存在松散、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征、频率变化及波形畸变程度等特性，可以获得测区范围内砼的密实度参数。测试及记录不同侧面、不同高度上的超声波动特征，经过处理分析就能判别测区内砼内部存在缺陷的性质、大小及空间位置，并对砼总体的均质性和完整性的作出评价。声波在桩体砼中的传播特性反映了砼材料的结构、密度及应力应变关系。根据波动理论，知跨孔对穿测试其弹性波的波速可近似为：式中：E介质的动态弹性模量；密度；泊桑比。声波在桩体砼中的传播参数（声时、声速、波幅、频率等）与混凝土介质的物理力学指标（动弹模、密度、强度等）之间的相联关系就是声波透射法检测的理论依据。当混凝土介质的构成材料、均匀度、养护方法、施工条件等因素基本一致时，声波在桩体传播中运动学特征和动力学特征一致；反之在施工中由于塌孔、离析、夹泥等现象出现，声波在传播中，必将在运动学特征和动力学特征上发生变化。 （2）在基桩施工前，依桩径大小预埋一定数量的声测管(一般采用钢管或镀锌管，底端封闭、顶端加盖)，作为换能器的通道。测试时每2根声测管为一组，声测管内注满清水，通过水的耦合，超声脉冲信号从一根声测管中的换能器发射出去，在另一根声测管中的换能器接收信号，测定有关参数并采集记录储存。发、收换能器同步向上提升进行检测，遇到异常时可采用水平加密、等差同步和扇形扫测等方法加密细测。二、测试方法某高速公路的中小桥一般采用1.2m的桩径，大桥特大桥一般采用1.5m的桩径，甚至2.0m以上的桩径。施工时，在桩体中预埋3根孔径50mm的钢管做声测管，预埋管绑扎在钢筋笼的内测，且沿基桩平行设置，管底密封，管内注满清水。桩基混凝土养护期超过7天，方可进行跨孔对穿测试。检测前将三根测管按顺序进行编号（A、B、C），得到AB、AC、BC三条测线（也称为剖面），量测两测管中心之间的距离，然后分别对AB、AC、BC剖面进行同高程对测。测试时由上而下，每次测距40mm，当发现桩体异常时，测距加密为10mm测读一次。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（见图1）。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，但不能确定缺陷在水平方向上的大概部位。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。在斜测过程中，采用固定的相差高程（即高差同步），且同一剖面进行两次单独的测试。一般来说高程相差越大，越能缩小缺陷在水平方面的范围，但是高程相差越大，测试信号就越弱，各种干扰信号就越强，就越容易形成误判。所以测试时在保证信号较好的情况下，可适当增大两换能器间的高程差。斜测法常作为平测法的补充测试方法，一个测线一般需测两次，即第一次发射换能器比接收换能器标高高，第二次使发射换能器比接收换能器标高低。但高差绝对值保持一致。通过斜测，可以缩小缺陷在水平方向上的范围。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。该方法比斜测法操作复杂且数据处理较麻烦，只针对可能有较严重缺陷的桩采用这一测试方法。声波透射测试方法具有能判断缺陷在垂直方向上具体部位、在水平方向上的大致范围等优点，是反射波法，钻孔取芯无法比拟的，但不足之处在于：对竖向缺陷范围比水平方向缺陷范围容易更准确的确定。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。 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。例如桩中心是否有较小缺陷，桩周是否有局部缩径、扩颈等缺陷。(a) 平测法 (b) 斜测法（第1次） (c) 斜测法（第2次） (d) 缺陷分析图1 声波透射测试方法二、 数据分析与判定 （一）检测按公路工程基桩动测技术规程（JTG/T F81-012004）中有关超声波法规定进行： （1） 桩身缺陷以声速临界值、波幅临界值以及PSD(斜率法)判据进行综合判定。PSD值Kt按下式计算: Kt=Kt K=（tci-tci-1）/zi-zi-1t=tci-tci-1 式中，tci为第i测点声时；tci-1为第i-1测点声时；zi为第i测点深度；zi-1第i-1测点深度。 （2） 桩身均匀性按声速离散系数Cv分为AD4级（表1）。 表1声速离散系数级别 （3） 基桩检测的相关规范中，根据桩身是否存在缺陷及存在缺陷的严重程度，将桩的完整性分为、共四个类别，并依据各检测剖面的声学参数异常点的分布情况及异常点的偏离程度，决定被测桩的完整性类别。但由于砼是集结型的复合材料，多相复合体系，分布复杂界面（骨料、气泡、各种缺陷），因此其检测的声参量数据波动较大；加上灌注桩的砼受自密实、地质条件及成桩工艺等影响，其声参量的波动性就更大了，因此在实际测试的过程中完全不出现异常测点的可能性较小，因此不能机械地理解并执行规范中桩身完整性的判定标准（规范对声参量异常判断均采用“可判断”），否则工程上很难有类桩，也不符合桩的完整性分类的定义。因此上述理论异常点只是可疑缺陷点，可根据以下五个方面进行综合判定： 异常点的实测声速与正常砼声速的偏离程度； 异常点的实测幅度与同一剖面内正常砼幅度的偏离程度； 异常点的波形与正常砼的波形相比的畸变程度； 异常点的分布范围及其他剖面异常点的分布情况； 桩的类型（摩擦型或端承型）、地质情况及成桩工艺。桩的类型及地质情况决定了桩身砼的压应力及弯矩大小随深度的变化规律，因此相同大小及程度的缺陷在桩身不同深度对该桩是否达到设计要求的影响程度差别较大，应适当加以区分。（二）测试数据的分析处理及缺陷判定严格按照中华人民共和国行业标准基桩低应变动力检测规程（JGJ/T93-95）的相关规定进行，即根据声时曲线、曲线和声幅曲线等三条曲线来判定缺陷的部位和大小。声波波形能直观反映某测点砼是否有缺陷。用反射波法评价基桩完整性时，可按波形好坏直接判断某桩是否有缺陷，是否有严重的缺陷。同理，在声波透射法检测过程中，检测人员检测时面对单一测点的波形，而后根据波形才确定声时值和声幅值，若桩基砼是均质的，声波波形有两头小、中间大、同频率（如图2所示）等特征，若声波经过缺陷，声波波形就会明显变化，当缺陷特别严重时表现在波形上为声幅很低、首波不易确认，频率变小且同一波形中有不同频率成分，比较容易直接判断（如图3）图2 完好波标准波形 图3 缺陷波波形图在检测时，声时、声幅和波形三种曲线常出现后面三种情况：（1）某一测点声时超判据，而声幅未超判据，且波形完好时；（2）声时未超判据，声幅超判据，波形除首波外其它正常；（3）声时未超判据，声幅未超判据，波形不正常（整个波形幅值较低）。下面对这三种情况进行分析。第（1）种情况表示该处砼仍为均质的，砼的强度略有变小，若声时超标不大（比正常的声时差1020s）且在一两个加密点出现，缺陷不影响桩的安全性能；或者因为测管弯曲，在测管拐点处数据超判据，就不应该砼有缺陷。如图4所示，此测线声时超标处无缺陷。第（2）种情况表示该砼局部有细小气泡或空洞，不影响桩的安全性能。第（3）种情况表示换能器位于砼强度变化的界面处，往往预示着在该测点附近可能有更大形式的缺陷出现。某桩AB张从268号280号连续7个加密点检测的波形，第268号和280号波形是完好波，第272、274、276点的波形为严重缺陷的波形，而270和278号为砼质量渐变处的波形，如图5所示，第270号与278号波形高差为40mm，该图同时说明了桩体内的缺陷大多为渐变的，相邻测点的波形图也是渐变的。图4 某 AB测线的声时和声幅曲线图图5 某缺陷附近连续6个测点的波形图在某桩检测过程中，当缺陷范围较大且桩身长度较短时，此缺陷处测线声时也不会超标；另外当测管弯曲时，测距越来越小，缺陷处的声时有可能比测距较大处的声时小得多，因此在此处测线有可能不会超标，但仍需判为缺陷。因此在检测过程中不能根据某单一指标来确定是否有缺陷，而应综合各个指标来分析是否有缺陷以及缺陷的范围和程度。5 声波透射法基桩完整性分类标准根据前述的4点判据，可对单一测结进行完整性评价，还不能对桩身完整性进行综合评价。在进行桩身综合评价时，必须综合考虑所有测线才能作出较准确的评价。目前，还没有统一、通用的关于声波透射法基桩分类标准。在一大型工程项目中，若多家检测单位执行的标准不统一，将给管理单位带来许多不便。某高速公路建设指挥部统一规定了超声波透射法基桩完整性分类标准细则，如下：类：测点声时、波幅均正常，无超判据现象；类：测点声时偏高，单一测线局部超判据；类：测点声时偏高，桩身结构不完整，有两条测线同一深度或一条测线连续较长超判据；类：测点声时严重偏高，桩身同一深度三条测线有严重离析，或两条测线同一深度连续较长有明显异常反应，超判据。该分类标准的优点：分类标准明确，容易操作，非专业人员也能理解；可重复性强，当多家单位检测同一根桩时，检测结果基本一致；防止各检测单位对缺陷桩的严重程度任意作解释，便于主管单位管理控制。该分类标准的不足之处：该分类标准是建立平测法基础上，未考虑斜测法的使用；该分类标准基于声时变化，未考虑声幅的变化和波形的变化；同样大小的缺陷在桩横截面上出现的部位不同，其桩的分类就可能不同。例如在当某一较小范围的缺陷接近某测管时，导致两条测线在同一部位超判据，该桩可能被判定为类桩。当这一较小范围的缺陷在某一测线中点附近时，导致一条测线超判据，该桩被判定为类桩。当这一较小范围的缺陷在桩中心附近时，无任何测线超判据，该桩被判定为I类桩；该分类标准未考虑缺陷在竖向上出现的部位。三、检测中应注意的若干问题 （1） 桩身砼龄期的影响。 某桥13-2桩检测中，由于工期紧，灌注后第5天即进行检测。检测发现接收信号相当微弱，波形衰减严重，全部测点普遍存在这种情况，初步分析是龄期的问题。灌注后第10天再次检测，信号及波形良好，判定为完整无缺陷桩。可见龄期对声测结果影响之大，建议检测时间不低于14天龄期。 （2） 超声波法与钻孔取芯法相互应证，综合应用。 某桥5-2桩设计桩径为1.5m，预埋3根声测管。超声波检测发现桩顶以下3.5m处砼严重夹砂。用钻孔取芯法验证时，却反映为完整桩。开挖检查证实超声波法结果正确，缺陷部位正好处于流砂层，2根声测管被流砂包裹住，所以声测结果显示的缺陷截面有点偏大。而钻孔部位靠近桩的中心，避开了缺陷范围，没有反映桩身真实情况。因此钻芯取样位置应尽量选择在声测过程中发现问题的界面附近。超声检测中发现异常情况时不能盲目定性，必须结合地质及相关资料，综合不同的检测方法合理判定基桩质量。 （3） 声测管问题。 声测管是进行声测时换能器进入桩体的通道。它是灌注桩超声脉冲检测系统的重要组成部分，其在桩内的预埋方式及在桩横截面上的布置形式将直接影响检测结果。因此，应将声测管的布置和埋置方式标入检测桩的设计图纸，声测管的埋置数量及在桩横截面上的布局应考虑检测的控制面积。 在实测中常遇到声测管堵塞或卡住探头的情况，这是由声测管安装不当造成的。声测管一般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接，保证在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁保持平整，安装完后封闭管口。声测管安装不平行也是常见问题，由于在施工中钢筋笼容易出现扭曲变形而导致声测管位移甚大，因而导致检测的声时值、均方差、离散系数、平均声速等产生偏离，可采用PSD法判断来消除这些非缺陷因素的影响。声测管中的浑浊水将明显甚至严重加大声波衰减和延长传播时间，给声波检测带来误差。因此，检测前应冲洗检测管并灌满清水作为耦合剂。四、超声波法在实际工作中有待探讨和改进的地方： （1） 应用声速推定桩身砼强度的争论也广泛存在，各种方法也在尝试之中；采用聚类分析、统计检验等数理统计判定桩的完整性，施工质量越好的桩，判得越严； （2） 进一步发展运用声测管或钻芯孔处理桩身缺陷的技术，提高补强加固处理桩身缺陷的可靠性，使基桩的超声波法检测更为经济可靠。（3）在检测时，对有缺陷的桩应持慎重的态度，不要漏判缺陷，也不要夸大缺陷的严重程度，必要时可结合反射波法和钻孔取芯进行综合评价。本着实事求是的原则，对有缺陷的桩进行承载力校核，对能满足各项承载力要求的桩不必进行加固处理，从而减少不必要的浪费和损失。