梁洪国 李 明

1 声波透射法检测原理

混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体。对于正常的混凝土,声波的传播速度是有一定范围的,当传播路径遇到混凝土有缺陷时,如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等,声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过,声波将发生衰减,造成传播时间延长,使声时增大,计算声速降低,波幅减小,波形畸变,利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化,就可分析和判断,确定桩身混凝土缺陷的范围、程度及空间位置,从而推断和评定桩身混凝土质量。

声波透射法的试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器(亦称探头)、换能器标高控制绞车、数据处理计算机等。

声测管应焊接或绑扎在钢筋笼内侧埋设到桩底;为便于检测,管口应高出检测工作面300 mm以上,管口高度宜一致。声测管管底、管口及接头必须密封,保证声测管畅通,管壁完好。声测管在桩中位置应等分桩的圆周;声测管之间应保持平行、间距应基本保持均匀。

声测管埋设数量应根据桩径来确定(见图1),应符合下列要求:

D≤1 000 mm时,宜埋设两根管。

1 000 mm＜D≤2 000 mm时,宜埋设 3根管。

D＞2 000 mm时,宜埋设4根管(其中,D为受检桩设计桩径)。

在桩基础完整性检测中,超声波透射法的检测范围可覆盖整个桩身的各个断面,无检测盲区,并且不受桩长、桩径及场地的限制,检测快捷方便。这种方法的缺点在于需要在基桩中事先预埋声测管,增加了工程造价,且不能有效检测出扩颈和轻微的缩颈等缺陷。

2 判断混凝土质量的声学参数

2.1 声速

声速的测试值比较稳定、重复性较好,受非缺陷因素影响较小,在同一根桩的不同剖面以及同一工程混凝土配合比相同的不同桩之间可以相互比较,是判定混凝土质量的主要参数,但声速对缺陷的敏感度不及波幅。

2.2 接收波的波幅

接收波波幅通常指首波波幅,即第一个波的前半周期的幅值,在发射波强度一定的情况下,波幅值的大小直接反映了超声波在混凝土中传播衰减的情况,波幅对缺陷很敏感,是判断混凝土质量的另一个重要参数。但波幅的测试受仪器设备性能、换能器耦合状态以及测距等诸多因素影响,目前只能作为同条件下(同一仪器、同一状态、同一测距)的相对比较,在同一根桩的不同剖面或不同桩之间不具备可比性。

2.3 接收波的波形

接收波形也是反映混凝土质量的一个重要信息,它对混凝土内部的缺陷也很敏感,在现场检测时,除逐点读取首波的声时、波幅外,还应注意观察整个接收波形态的变化,作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要参考信息。

3 缺陷判断

钻孔灌注桩在施工中易产生的缺陷主要有以下几种:蜂窝、孔洞、扩径、缩颈、离析、砂砾、夹层、泥砂夹层。

目前,《基桩低应变动力检测规程》中制定了三种判定桩身有无缺陷的方法:1)数值判断法;2)PSD判断法;3)波幅判断法。

3.1 数值判断法

数值判断法是利用数理统计学原理,在保证声测管两两基本平行且管距基本相等的情况下,则声时平均值与声时2倍标准差之和作为判定桩身有无缺陷的临界值。该方法是建立在声测管基本平行、管距基本相等、混凝土均匀、数值符合正态分布的前提下,缺陷判定才比较准。但是,由于工程管理、施工水平和混凝土离散性大,声测管不平行且管距不等诸因素的影响,使声时标准差偏大,导致缺陷易漏判。

3.2 PSD判据法(Product of Slope and Difference)

PSD判据即声时—深度曲线相邻测点的斜率与相邻两点声时差值的乘积来判断。PSD对缺陷很敏感,在声时—深度曲线上可明显地反映出缺陷的位置及性质。当声测管不平行时,由于相邻测点声时差值变化不大,故PSD还可解决声测管倾斜问题。当遇低强且均匀的混凝土或相邻测点均在缺陷区时,由于声时值的变化也不大,在声时—深度曲线上反映不出缺陷,易漏判,需用波幅衰减、声速、波形畸变来综合判定。

3.3 波幅判断法

声波在穿过有缺陷的混凝土时,其声能要被衰减,声参量波幅会比声速对缺陷更敏感。《基桩低应变动力检测规程》中规定可采用接收信号首波能量平均值的一半作为判断缺陷临界值的标准,需指出的是,该判据利用了衰减对缺陷的敏感性。但为什么能量衰减一半正是判别缺陷有无的界限,这一点还缺乏理论依据和足够的工程验证资料,实际检测中也容易检测到能量衰减一半的值,但混凝土并无缺陷,这可能与混凝土本身是非均质材料,灌注过程中易产生小的蜂窝、孔洞有关,应谨慎使用该参数判断。

3.4 桩身质量的判定标准

桩身完整性类别应结合桩身混凝土各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及桩身质量可疑点加密测试(包括斜测或扇形扫测)后确定的缺陷范围,按规范的规定进行综合判定。《基桩低应变动力检测规程》规定的判断标准为:

Ⅰ类桩:各检测剖面的声学参数均无异常,无声速低于低限值异常。

Ⅱ类桩:某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常,无声速低于低限值异常。

Ⅲ类桩:某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常;两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常;局部混凝土声速出现低于低限值异常。

Ⅳ类桩:某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常;两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常;桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。

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。

4 常见问题或故障及处理

1)检测信号突然消失。有两种原因可产生该类现象:a.声测管内无水;b.设备系统故障。检查声测管内是否有水,可在采样状态下,迅速往声测管注水(以防声测管破裂造成水大量外流)至现象消除,否则,将换能器提出声测管,平行靠近(5 cm左右)放在空气中,采样、观察是否有接收波形,无接收波形,则设备系统故障。2)判断设备系统的故障部位。将故障的设备换上平面换能器,将平面换能器的辐射面平行相对,相距5 cm左右,进行采样,如波形正常,证明超声仪正常,仅仅是径向换能器故障。若判断换能器故障时,接上径向换能器,进行采样,如发射换能器发出响声、无接收波形,则接收换能器故障;如发射换能器无响声,仅将发射换能器更换成平面换能器,将平面换能器的辐射面对准径向换能器的辐射体(中间部位),进行采样,如有波形,则接收换能器完好、发射换能器故障,否则,收、发径向换能器均有故障。3)发射正常、接收时好时坏。换能器刚下水测试时波形正常,一会儿波形逐渐异常,甚至无接收波形,提出声测管后波形正常,或提出声测管、待换能器干燥后波形正常。该现象是由于换能器信号线破损漏水、水密性丧失、遇水压大时渗透到换能器主体造成,换能器故障,修复较为困难。4)桩头最后一测点声速、幅度急剧下降。某些桩在桩头部位的最后一个或几个测点的声参量急剧下降,而桩头部位混凝土表现良好。该现象可能是使用机械设备剔除桩头时,引起声测管与混凝土脱离(产生间隙)或者混凝土局部破损(产生裂隙)而造成,可在声测管外壁或桩头混凝土浇清水,该现象好转。

5 结语

应用声波透射法对灌注桩桩身进行完整性检测,具有准确度高、可以由下而上逐点整桩全断面的优点,不易漏判缺陷部位,检测结果直观反映了桩身各个部位混凝土的均匀性和存在缺陷的准确位置、缺陷的严重程度等方面的信息,而且检测不受桩长和桩径影响,是检验桩基桩身混凝土质量的一种科学的方法,但工程实际中影响因素众多,如何避免误差的出现,完善声波透射的检测技术,是需要研究和解决的一个问题,比如声测管倾斜、盲区的测试等相关问题还需进一步研究,以期能使声波透射法在桩基检测中得以更好的应用。

[1]罗骐先.桩基工程检测手册[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]JGJ 106-2003,建筑基桩检测技术规范[S].

[3]陈 凡,徐天平.桩基质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.