超声波法在桥梁桩基检测中的应用
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。
本文结合福建省浦南高速公路工程实例，介绍超声波法在桥梁桩基检测中的应用。
浦南高速公路是国家高速公路规划网第二条放射线北京至台北高速公路的组成部分，是我省目前设在单个区市境内建设里程最长、投资最大的高速公路项目。全线共有大中桥99座，桩基5400多根，其中采用超声波法检测的1100根，我单位承担全线桥梁的桩基检测，评价桩身砼的完整性。
2 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。
（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。
3 数据分析与判定
检测按《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01—2004）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=K·Δt
K=（tci-tci-1）/zi-zi-1Δt=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A～D4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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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Ⅰ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：
① 异常点的实测声速与正常砼声速的偏离程度；
② 异常点的实测幅度与同一剖面内正常砼幅度的偏离程度；
③ 异常点的波形与正常砼的波形相比的畸变程度；
④ 异常点的分布范围及其他剖面异常点的分布情况；
⑤ 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。
4 工程检测实例及其分析
浦南高速公路某桥2l-1桩为钻孔灌注摩擦桩，设计桩径1.5m，设计桩长49.5m，预埋4根声测管，采用超声波法平测法测试，测点间距0.25m。其中1-2、1-3、1-4剖面在13.2～14m处同时出现声参量异常（如图1所示），异常范围的波速比平均波速下降15%，幅度比平均幅度下降30dB，而其他剖面在此位置无明显异常，初步判断该桩在13～14m处存在异常（缺陷），且缺陷区在1号声测管所在的方位，但无法判定缺陷范围，进而将其归入Ⅱ类还是Ⅲ类桩。为确定缺陷的严重程度和范围，在1-2、1-3、1-4剖面，从9～19m的范围内，分别作收、发换能器约45°倾斜的双向斜测，测点间距为10cm，斜测结果如图2所示。通过每一剖面、每一方向斜测的数据，确定其斜测的各个声参量异常的测线，各剖面的异常测线的包络范围如图上阴影部分所示，可以看出1-3、1-2、1-4剖面的径向缺陷尺寸依次增大，且1-3、1-2剖面未超过1/2测距，因此该缺陷是靠近1号声测管方向的缩径类缺陷；从缺陷范围上看，纵向尺寸在0.8m左右，径向尺寸小于桩径的1/4；从缺陷区声参量及波形上看声参量幅度不太大，且波形基本完整。因此将此缺陷判定为轻微缺陷，该桩判为Ⅱ类桩。
图1 声测曲线图
图2 斜测结果示意图
5 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。
6 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。
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