超声波透射法检测超长灌注桩质量

2011-08-15唐亮

山西建筑 2011年20期

唐亮

1 概述

近几年，我国房产、铁路、公路建设高速发展，地基基础采用的基桩承载力也越来越高，单桩承载力要求上千吨的工程屡见不鲜，曾经大量使用的PHC管桩、预制方桩等越来越不适应此类工程要求，而随着桩侧、桩端后注浆技术的发展，曾经遭受冷落的钻孔灌注桩重新受宠，伴随上千吨单桩承载力的高要求，钻孔灌注桩桩径越来越大，桩长越来越长，如何检测此类桩的桩身质量就显得尤为重要。针对钻孔灌注桩，传统的桩身质量检测方法有低应变、高应变、静载荷试验、钻孔取芯。钻孔取芯指从桩顶沿桩身往桩端钻取芯样，观察芯样混凝土有无离析、空洞等缺陷，此法本身破坏桩身结构，对于超长桩，更可能因钻孔垂直度不够，钻断钢筋，偏出桩身，事后修补更困难，因此，钻芯法受桩长限制［1］，宜作为其他方法的补充验证。静载荷试验则是最直接有效的方法，不仅能检测桩身质量，更可直接检验桩的承载力是否满足设计要求，但经济成本、时间成本高，也不能普测，只能作补充验证。高应变法可检验桩身质量，也能检验桩的承载力，但对于浅部缺陷、桩身截面多变的超长钻孔灌注桩，在检验桩身质量方面存在局限［2］;更因为试验前，需进行试桩的桩头加固处理［3］，遇到深基坑工程，则需将桩接长至自然地面进行检测，经济成本也太高，不能普测。低应变法虽然经济，但对于超长钻孔灌注桩，也存在技术上的缺陷，如难以检测桩身的多处缺陷以及有效检测桩长的局限等［3］。

综上所述，对于超长灌注桩的桩身质量检测，需另外寻找技术上、经济上都更为可行的检测手段。

2 超声波透射法检测原理

超声波透射法是利用超声波经混凝土传播后各声学参数(声速、波幅、频率等)的量值及变化以及波形来确定混凝土的性质。在需检测的桩身中竖向预埋2根或以上的声测管作为超声波换能器的通道，并将声测管中注满清水，检测时将超声波发射换能器与接收换能器分别放置于2根声测管中:发射换能器发射高频弹性脉冲波，接收换能器接收经混凝土传播后的波，通过分析接收波的初至时间、能量、频率及波形等特征，来判别混凝土的质量。换能器同时往上(或往下)移动，从而遍及整个检测剖面。若混凝土有缺陷(空洞、离析、夹泥、裂缝、沉渣沉淤等)，其声学参数通常表现为声时高(声速低)、声幅(能量)低、主频低、波形畸变等一项或几项特征。

3 实施检测

3.1 声测管的选择及埋设

通过以上原理介绍，可知声测管作为检测时换能器的通道，其材质及埋设质量、数量，是检测工作成功与否的关键。首先说材质，对一般的灌注桩工程，钢管、钢质波纹管、塑料管均可作为声测管，对于超长、大直径灌注桩工程，则宜选用钢管，因为超长、大直径灌注桩需灌注大量混凝土，水泥的水化热不易发散，而塑料的热膨胀系数与混凝土的相差悬殊［2］，混凝土凝结后塑料管因温度下降而产生径向、纵向收缩，可能使之与混凝土局部脱开而造成空气或水的夹缝，易造成误判;钢质波纹管较轻，柔性好，对于超长灌注桩来说，安装时不易保证轴线的平直，对后续数据分析带来困难。而钢管则刚度大，便于安装，易于保证安装后的平行度及平直度，若用电焊焊于钢筋笼骨架上，更可代替部分钢筋截面。

埋设质量包括保证换能器能在声测管中畅通无阻与保证两两声测管相互平行两方面。要保证换能器在声测管中畅通无阻，需处理好声测管各节间的连接问题以及防止声测管本身在施工中的变形和声测管上、下端头的密封。防止变形除了要能抵抗地下七八十米以上的水压外，还要能承受施工过程中的各种意外碰撞(这也是以上选择钢管的原因之一，因钢管刚度大，能承受意外碰撞变形)，在选择以钢管作声测管后，各节间的连接则可以螺纹丝口连接，上、下端头密封则可以配套的螺纹丝扣钢盖密封，密封前需先在声测管中注满清水，对于利用声测管作桩端后注浆通道的桩，下端头则可以接单向注浆器接口密封。声测管两两平行则是为了保证同一检测剖面中各测点测距相同，这样才能进行声学参数比较。

为保证声测管两两平行，则需将各声测管牢牢固定在钢筋笼主筋上，铁丝捆绑或电焊固定皆可。对于超长灌注桩，考虑到工程的重要性，需及时检查桩的质量，发现问题好采取补救措施，因此检测应在桩端注浆前、基坑开挖前，而工程桩顶标高多在自然地面下20 m，30 m及以上，故而要求将声测管接长至施工地面(接长至施工地面时需低于地面15 cm，防止施工机具碰挂声测管引起弯曲变形)，而工程桩钢筋笼也可能并非全笼，则要求在工程桩桩顶标高以上以及桩下部无钢筋笼段制作加强箍筋，焊接或牢固绑扎于声测管上，以保证声测管在工程桩顶以上部位、桩下部无钢筋笼段的平直。

对声测管埋设数量，规范规定:桩径不大于800 mm，布置2根管;桩径大于800 mm，不大于2 000 mm，不少于3根管;桩径大于2 000 mm，不少于4根管［3］，考虑到超长灌注桩工程的重要性以及有效质量检测手段缺乏的特殊性，据笔者经验，桩径800 mm～1 000 mm的桩，宜布置3根管，桩径大于1 000 mm宜布置4根管，确保超声波透射法检测能顺利进行。

3.2 现场检测

为使换能器能在声测管中畅通无阻，声测管内径一般要求为50 mm，目前所用换能器直径一般为20 mm～30 mm，即使声测管稍有变形，也能顺利畅通，也正因为此，换能器必需要有扶正器，既防止换能器在声测管中晃动撞坏换能器，又防止采集的信号因换能器晃动产生声时、幅值、波形的畸变。现场检测通常要求龄期宜为成桩后28 d，对于超长灌注桩而言，大多需进行桩端后注浆，检测时间可适当提前至14 d。超声波检测时换能器是靠自身重力作用下放至管底，对于超长灌注桩而言，换能器的电缆线下放的深度可达100 m以上，若检测时换能器的提升是靠人力，较大的电缆线自重经常会导致换能器不在同一深度截面，因此，检测人员现场需时刻注意声时、波幅、波形的变化，防止换能器不在同一深度截面造成的假性缺陷。

3.3 数据处理分析

对数据的计算处理及异常点判别参照灌注桩超声波透射法检测相关规范执行，若遇特殊情况要进行声测管的倾斜修正，可参照《基桩质量检测技术》［2］第15章15.4节，笔者不再赘述。

4 工程实例介绍

实例1:上海虹桥交通枢纽地区某高架桥梁工程，采用桩径950 mm桩端后注浆灌注桩，桩长为64 m～94 m，桩总量上千根，部分桩桩顶标高在地面下25 m，若采用低应变检测手段进行普测，显然不能达到准确检测桩身质量的目的，而若采用高应变，静载荷试验或钻孔取芯进行普测，不但经济成本高昂，工期上也不允许。

因此，制定检测方案时决定采用超声波透射法进行普测，辅之低应变普测，高应变抽检。采用外径60 mm，壁厚3 mm钢管作声测管，声测管兼作桩端注浆管，声测管接长至地面，在成桩后15 d，桩端注浆前进行超声波透射法普测，待基坑开挖至工程桩桩顶标高时再进行低应变普测，最终达到了预期检测效果。

实例2:上海浦东陆家嘴某工程，采用桩径1 000 mm桩端后注浆灌注桩，工程桩桩长约55 m，基坑开挖深度约28 m，单桩承载力特征值10 000 kN，检测方案采用超声波透射法普测，辅之低应变普测，若超声波、低应变检测结果有明显缺陷，则辅之高应变、钻芯法验证。

每根桩埋设3根声测管兼作注浆管，声测管接长至地面，成桩后10 d～15 d进行超声波透射法检测，检测结果发现桩身质量问题主要为桩端附近轻微缺陷，而基坑开挖后低应变普测却未能发现此种深部缺陷。