林　宏

(上海瑞博置业有限公司， 上海 200120)



船厂建设用灌注桩声波透射法检测技术研究

林宏

(上海瑞博置业有限公司， 上海 200120)

摘要在船厂建设中，复杂的地质状况为桩基的检测带来难度。一种高精度的检测方法，声波透射法在灌注桩的桩身结构完整性检测中被广泛应用。但仪器设备等硬件设施以及在数据处理、分析判断等软件方面，仍然存在许多局限性与不足。通过深入分析现有技术，并对其进行全面的调查与追踪，本文通过硬件和软件两方面介绍了混凝土灌注桩声波透射法检测的最新技术进展，以期相关技术人员借鉴归纳后能有一定的帮助作用。

关键词灌注桩完整性声波透射法

0前言

在船厂建设中，车间、船台和船坞通常采用混凝土灌注桩以满足承载力要求和抗地下水侵蚀要求。参考一般船厂的选址多为河滩或海滩围堰回填建造的人工地基，其土层构造和建设工况复杂。结合考虑混凝土灌注桩施工工艺复杂，桩身混凝土在水下环境中硬化条件差故而成型条件复杂。一般在工程中常见其发生桩身缺陷，从而对建(构)筑物的结构安全及耐久性构成威胁。

一般在工程中常见其发生桩身缺陷，从而对建(构)筑物的结构安全及耐久性构成威胁。桩的完整性检测事关桩身承载力能否达到设计值充分发挥承载力的要求。在桩检测完整性方面着重考察桩是否存在断桩、空洞和桩身混凝土离析等缺陷。近年来在工程桩的检测中开始广泛应用声波透射法作为检测手段，如在船厂建设时常遇到的滩涂、围堰回填地基等地质状况，检测成果的准确度较高。在检测中能通过读片判断缺陷发生的具体深度以及其在桩身截面的分布状况。在缺陷的判断时对比其他检测方法更为全面，检测范围可涵盖桩身的各个横截面段。

1使用超声波检测法检测桩基的技术原理

1.1超声波检测技术原理介绍

超声波属于机械波，其物理基础是机械振动和波动，同时又属于弹性波测试方法中的一种。在固体介质中的弹性波传播理论是超声波检测技术的理论基础。其方法是在桩内预埋两根或两根以上的声测管，在管中注满清水作为声波传递的媒介，在检测时同时将发射、接收换能器插入两根声测管内。超声波由发射换能器出发穿透两管间混凝土后被接收换能器接收，由仪器中测量系统测出超声波脉冲在桩体内穿行的时间、波幅值和脉冲主频等一系列参数。经过技术处理可确定桩身混凝土的强度，判断桩身混凝土质量实际有效检测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所扫过的面积。

1.2桩体质量的判别方法

混凝土桩由混凝土材料在水下环境硬化成型，其天然材质为非均质性，表观状况具有多空隙材料的特点。在实际工程中由于成桩质量受到地质影响的作用较大，因此需要通过多种检测方法进行综合分析，具体方法归纳如下：

1.2.1概率法判据

“概率法”是由南京水利科学研究院的学者提出的。这种方法的技术路线是通过数理统计大面积网格测的方法在检测数据中查找出统计的异常值。将该异常值存在的区间认定为缺陷区。其理论依据认为虽然桩身混凝土自身的不均匀特性会造成声测值存在一定的离散性，但当桩身为完整桩时其测量值仍会符合正态分布规律；当桩身存在缺陷时，由桩身缺陷造成的测量值突变、异常化则无法呈正态分布。基于上述认知，对声速检测数据的常用处理方法是，在基桩的测试数据中首先识别来自缺陷部位的异常测量点，在数理统计时将之剔出，从而得到完整性部分的数据正态分布统计特征图样，在下一步工作中以此统计特征做为该基桩完整性的判定依据。

1.2.2斜率与差值乘积判据(PSD判据)

这种方法的技术路线是利用桩身在缺陷区由于自身的不连续性或材质的密度差异的特点，在缺陷区的边缘声测数据必然产生明显的差异化，导致缺陷点的声时曲线斜率增大。根据这种特点来研究判断桩身缺陷的存在以及缺陷的性质和缺陷的程度。PSD法的优点是不受桩身非缺陷因素的影响，能够准确反映桩身的孔洞离析等现象。

1.2.3多因素概率法判据(NFP判据)

这种方法的技术路线是综合参考多项参数(如波幅、频率、声时等)对桩身做缺陷分析和判断，从而提高分析、判断的成功率。原铁道部大桥局科研所提出了这种(波幅、频率、声时)概率分析法。NFP判据通过波幅、频率、声时三种参数平均设定权重进行分析。其作用主要在某特定深度结合波速临界值来判断该深度位置的混凝土的密实程度，以判定混凝土在施工过程中的灌注质量。

1.2.4波幅判别法

在工程测量中因考虑到后续波会受到叠加波在衍射作用下的干扰，进而干扰测量结果。一般情况下将首波波幅定为度量声波的波幅可尽量减少干扰，能反映受测桩身混凝土的真实性状。一般采用的波幅判据式为Api

2工程实测中遇到的问题与解决方法

2.1声测管预埋的影响

声测管的预埋一般布局形式有三种，如图1所示。图中阴影面积为检测区域。结合工程实际情况根据桩径大小的不同采用不同的布局形式，以船厂为例因桩直径普遍大于2.5 m且对单桩承载力要求较高故而一般采用布局Ⅲ的形式加密布置声测管。然而在实际工作中由于加密布置声测管势必与桩身内的钢筋发生占位冲突，若过密布置声测管会影响桩身的混凝土灌注质量。在工程试桩的检测中有发现因声测管布局过密引起的检测结果显示为混凝土离析的现象。因此应尽量优化和控制声测管的布置数量。

图1　声测管的预埋

2.2声测管施工工艺新技术

传统声测管一般采用套管焊接或螺口连接，现场施工不太方便，同时声测管的接头位置容易变形或漏浆，为了保证工程质量，如今施工工艺开始采用法兰式、钳压式、扣压式、锁扣式等新技术。同传统方法相比，结构简单，成本低廉，安装方便，通用性强，连接坚固，防渗性好。在船厂的工程中普遍采用了钳压式的链接方式。避免了因漏浆造成声测管堵塞现象的发生。

2.3换能器问题解决方法

目前在声波检测中使用的换能器大多为压电式，利用压电片受电信号激励产生振动而发射声波，即逆压电效应，其发射能量有限，适用于短距离测量。当两换能器间距较大时，由于声波衰减较快，产生的幅值较低，首波信号不易判别，在读取初始时刻时，可能导致较大误差或误读。针对压电式换能器长距离声波穿透能力下降的问题，采取以下措施：通常在超声波CT的扫描过程中，若仅用两个换能器操作显得工作量过大，但若将多个换能器组合运用，使某个换能器先发射超声波，而对面的若干个换能器都能接收并显示声时读数，就可以显著提高检测的效率。

换能器长度及直径偏大，在声测管上下移动时容易卡管。JF系列换能器长度显著缩短(仅130 mm～165 mm)，直径显著减少(22 mm)。在换能器内装置了性能优良的前置放大器，保证了接收信号有足够的幅度和信噪比。同时声测管的直径大为减小。

3三维成像技术在桩身检测中的发展

目前的数据评价只能判断缺陷的粗略位置和范围，不能给定缺陷的形状和大小。

计算机层析成像方法属于无损透视检测的范畴，通常采用某种射线源，从桩身外部使用检测设备采集的投影数据，运用相关的计算模型以及图像仿真技术。在计算机上生成被检测桩内部的三维图像，实现被探测桩身的内部结构特征描述。

声波透射法检测基桩质量或桩端注浆效果的二维成像一般只能提供声测管之间的竖向剖面，如图2所示。检测结果呈平面图形在读片时需结合多个截面的图形判断桩身缺陷的位置和大小，在实际工程运用中带来诸多不便。

图2　声测管之间竖向剖面的二维成像

运用层析成像技术对实测的断面数据进行相应的数学计算，并构筑出三维图像所显示的缺陷形状、存在的深度位置和缺陷的大小是声波透射法将来的发展方向。现阶段国外同行业公司已经开发了较为成熟的采集系统以及相匹配的三维成像和切面显示的数据处理软件。

美国OLSON公司生产的CSL桩基跨孔声波检测系统，如果采集了足够数量的数据，就可以获得缺陷范围及形状的3D图像。使用者便能获得桩内任何缺陷的大小、形状、严重程度的图片。该软件不仅能制作出内部混凝土状况的二维、三维图片，还可以对包括混凝土内部等缺陷进行不同角度的动画演示。获得缺陷区域的不规则形状，能够更好地判断声测管之间缺陷的范围和严重程度。工程师和相关人员可以据此决定是否需要进行加固，哪里需要加固。

图3显示了某桩其桩身缺陷的分布范围图形。该图形可对缺陷处位置的横截面做平面的放大显示。从而计算出缺陷面积在相应截面位置的比值，使得缺陷数值可实现数量化。例如在桩身对应11 m深度的三处缺陷，其截面分布范围主要集中在测管3、5、7附近， 其缺陷率可计算为8%左右。

图3　缺陷三维显示

4结论

与其他检测方法相比，超声检测可通过预埋声测管而不破坏桩身做无损检测且不受桩长和桩径的限制。检测信号稳定便于操作分析，其准确性满足工程检测的需要。随着三维仿真技术的发展以及在桩基超声检测领域的不断研究，新的超声检测技术对于提高桩基试验检测的工效具有重要作用。

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作者简介：林宏(1980-)，男，工程师，从事工程结构检测、加固新技术和实例研究。

中图分类号U673

文献标志码A

Research of Bored Pile Integrity Test by Ultrasonic Wave Method in Shipyard Building

LIN Hong

(Shanghai Ruibo Real Property Co., Ltd., Shanghai 200120, China)

AbstractThat's hard with difficulty to test pile, which under complicated geological condition in a shipyard. Ultrasonic wave method has been widely used in bored pile integrity test, but there are many limitations in software or hardware. Recent development is introduced by the author, which can provide a reference for the relevant personnel.

KeywordsBored pilePile integrityUltrasonic wave method