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超声波透射法在基桩检测中的应用研究

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：李杰伟

[导读] 摘要：我国享有“基建狂人”的美称，在我国工程建设日益增多的今天，建筑项目质量一直是大众关注的热点，为了满足大众需求，提升施工企业在行业中的竞争力，需要重视基桩工程，了解施工要点，目前可以借助超声导波透射方式，分析质量情况，完成完整性无损测试，超声波透射法作为无损检测技术，具有高效、准确、方便、快捷等诸多优点而被广泛应用桩基检测。

        东莞市正衡建设工程检测有限公司广东东莞 523000
        摘要：我国享有“基建狂人”的美称，在我国工程建设日益增多的今天，建筑项目质量一直是大众关注的热点，为了满足大众需求，提升施工企业在行业中的竞争力，需要重视基桩工程，了解施工要点，目前可以借助超声导波透射方式，分析质量情况，完成完整性无损测试，超声波透射法作为无损检测技术，具有高效、准确、方便、快捷等诸多优点而被广泛应用桩基检测。
        关键词：超声波透射法；桩基检测；技术要点；无损；应用
        引言
        随着中国国民经济的健康和谐发展，国家对交通基础设施领域的投资力度不断增大，数以万计的高层建筑、厂房、桥梁、港口码头等工程建设项目投入建设。然而桩基工程属于隐蔽工程，具有施工程序多、施工难度大、技术要求高的特点。因为地质条件、施工工艺、机械设备、人员操作、作业条件等因素的影响，容易使得混凝土灌注桩出现质量问题。而且桩基质量的好坏直接关系到整个工程的安危，所以桩基质量检测至关重要。目前桩基质量检测的方法较多，单桩竖向抗压静载试验、单桩竖向抗拔静载试验、单桩水平静载试验、钻孔取芯法、高应变法、声波反射法（低应变法）、声波透射法（超声波法）等。以下将细致分析超声波透射法在基桩检测领域的应用。
        一、超声波透射法的原理分析
        混凝土是由多种材料组成的非匀质体，声波在混凝土中传播的速度有一定的范围，如果声波在传播的过程中遇到缺陷（例如密实度差、夹泥、裂缝、断裂等），则声波会在传播速度较慢的介质中通过或者绕过缺陷，因此声波会产生衰减，延长传播时间，增大声时，波形畸变，波幅减小，计算声速降低，通过利用超声波在传播过程中的声学参数的变化状况，能够对桩基混凝土的质量进行分析和判断。超声波透射法在检测桩身质量时，需要在桩基中埋入相应根数声测管，将超声波发射探头、接收探头分别放置在两根声测管中，由超声波发射探头发射超声波，由接收探头接收超声波，用超声仪测出超声波在桩基中的传播速度、传播时间、波幅等，以此对桩身结构的完整性进行分析和判断。
        二、超声波透射法工作原理概述
        超声波透射法应用于桩基在0.8米以上的混凝土灌注桩，对其进行无损完整性测定。在超声波透射法应用期间，凭借发射换能器向外发送连续脉冲信号，同时声测管内传送耦合剂，经过桩身到达基桩接头位置，完成对基桩进行完整无损检测，考虑超声波其横波以及表面部无法在液体或空气中传播，为此需要将超声波进行能量分解，拆分为分量以及纵波，并通过发射换能器，完成声波信号与电信号的转换工作。通过信号掌握基桩整体情况，发现物理力学与介质声学间存在着一定的联系，这在费马定理中曾经有所提及，这个发现是混凝土基桩检测期间，使用超声波的基础，对混凝土进行完整性检测，需要考虑不同材料对声波传送起到的影响通过实际调查发现超声波应用于混凝土中，可以完成特定区域内声波信息的传送，考虑施工环境复杂，为了提升施工的便捷性，确保各项工作可以在规定时间内，保质保量的移交工程，采用声波测定混凝土基桩完整性，已成为大部分工程作业的首选。
        三、超声波透射法应用分析
        3.1 超声波透射法分类
        （1）桩内单孔透射法
        进行检测工作时，留出一条孔道进行超声波检测，在桩内单孔透射钻进取样完成后进行，掌握桩基周围混凝土布设情况，并需要将换能器放置于孔内，通过换能器完成桩身孔内部检测，钻心检测是桩内单口收集管理信息的良好方式。
        （2）桩外孔的透射法
        桩外孔透射应用期间，需要在桩基上部位置进行，完成施工后掌握桩内是否留有侧管，同时还应该完成钻孔换能检测，并对桩身外侧进行钻孔作业，在桩身前端放置平面换能器，明确桩身工作参数测定依据，通过超声波判断桩身灌注作业情况。进行桩身质量判定期间，掌握超声波在土层中声波衰减速率，并对速率进行分析。
        （3）桩内跨孔透射法
        桩内跨孔透射法是桥梁工程常用的方法之一，在桩内瓶中放置两根以上工技术创新之间的相互发展关系。
        3.2 准备工作
        （1）声测管的预埋施工
        在利用超声波透射法进行桩基检测之前，需求先在桩基内预埋声测管，如果桩基直径超过1.5m，则应该在桩身埋设4根声测管，如果桩基直径小于1.5m，则应该在桩身埋设3根声测管。为了保证测量结果的准确性，则应该尽可能的采用金属管，并采用螺纹连接的方式进行声测管的连接，声测管的内径必须超过换能器的外径（通常超过1.5cm）。声测管通常采用和钢筋笼一起绑扎的方式，为了防止杂物进入声测管，则应该对神测管加封口盖。
        （2）检查仪器设备
        为了保证桩基质量检测结果的准确性，则应该在检测之前对超声波透射法应用的所有仪器设备进行检查，保证所有的仪器设备能够正常的运行。超声波透射法所需要的仪器设备包括显示系统、换能器以及声波测试仪等。
        3.3 检测流程。
        当扶正器安装完成后将发射与接收换能器防止在声测管中，同时还应该保证发射与接收换能器在声测管中自由的升降。对超声波监测仪器的各项参数进行调整，保证接收信号具有较高的信噪比，同时确认显示器能够显示波幅。尽可能的将测点间距控制在5~20cm之间，如果在检测的过程中出现故障或者异常，则应该根据现场的实际状况适当的加密测点。发射与接收换能器必须在相差固定的高度或者同一标高进行检测，检测应该采用从下到上的顺序进行，测量超声波的接受波频率、波幅以及行声时等，同时还应该如实记录不正常的波形，通过扇形扫描、双向协测、斜测以及平测等方式进行加密测量。当桩基的声测管检测完成后，还应该进行桩基的随机、重复性检测，根据桩基试验检测量确定抽检量，尽量将误差分别控制在声速、波幅相对标准差的5%、10%以内，如果出现波幅和声时异常的现象，则必须重新进行测试，以此保证测试结果的真实性和准确性，更加准确的反映桩基的质量。
        3.4 桩基质量判断依据。
        超声波穿过混凝土之后被接收换能器接收，改信号能够反映桩基内部的众多信息，如何对上述信息进行分析和进行定量化，同时创建上述物理量和桩基内部缺陷的定量关系，是超声波透射法在桩基检测中应用的关键问题。现阶段，已经被用于判断桩基混凝土质量的物理参量包括波形、主频、波幅以及声速等。通过对超声波穿过混凝土所需要的时间进行计算获得声速，如果桩基混凝土质量均匀，声测管平行，并且内部不存在缺陷时，所有横断面测得的声时应该相同。如果桩基内部存在缺陷，因为空气、水、泥等的声速比混凝土的声速小，穿越时花费的时间较长。当混凝土与缺陷的物质的声阻抗不同时，基于惠更斯原理，声波则会绕过缺陷进行传播，导致波线表现为波折状，因为声波绕过缺陷传播，会增大声时，计算获得的声速也相对较小。根据实验表明，声速具有非常强的变化规律，可以将声速值作为判断桩身混凝土缺陷的主要依据。此外，波形和频率也是判断桩身混凝土是否存在缺陷的重要指标，但是因为影响波形畸变的因素相对较多，无法进行定量分析，只能凭借经验进行判断。同时，桩基质量还收许多其他因素的影响，应该根据施工工艺、施工记录以及其他资料进行具体分析，结合桩身质量可疑点加密测试、混凝土声速低限值、PSD判据以及混凝土物理参数临界值等确定故障或者缺陷范围。
        3.5桩基检测实际工程案例。
        工程案例一

        4号桩A-B剖面波列图    4号桩A-B剖面声速、波幅曲线图
        综合分析与评价：
        ① 该桩检测剖面波列图的实测波形正常，声速、波幅各测点测值离散性不大，可用概率法进行声波临界值的计算，用概率法计算声速、波幅临界值后无异常点出现。
        ② 各测点声速平均值4.522km/s，最小值4.248km/s均在混凝土声速的正常取值范围内。
        ③ 实测波形首波陡峭，后续波波幅大。
        ④ 综合以上分析，该桩桩身完整性等级判定为Ⅰ类。
        工程案例二

        1号桩A-B、A-C、B-C剖面波列图      1号桩A-B、A-C、B-C剖面声速、波幅曲线图
        综合分析与评价：
        ① 三个检测剖面测试数据离散性不大，可采用概率法判据。
        A-B剖面波列图波形正常，声速和波幅测试值正常；
        B-C剖面1.1-1.4米处声速明显偏低，波幅偏小，波形明显畸变；
        A-C剖面1.0-1.3米处声速明显偏低，波幅偏小，波形明显畸变。
        ② A-C、B-C两剖面异常测点出，实测波形首波波幅值明显下降，但后续波仍有一定波幅。
        ③ 对异常测点加密测试后的桩身缺陷分布，A-C、B-C两剖面1.1-1.4，1.0-1.3米存在同一高程缺陷。
        ④ 综合以上分析，该桩桩身完整性等级判定为Ⅲ类。
        四、结束语
        基桩桩身质量监测直接影响到工程作业效果，超声波透射法作为检测桩身完整性的常用方式，在实际应用中具有直观、无损的优势，由于其突出优势所以在桥梁工程中应用极广，为了发挥超声波透射法职能作用，掌握混凝土桩身质量情况，不仅需要掌握技术应用要点，还应该了解影响技术应用的外在因素，并及时解决桩身结构存在的质量问题，确保工程作业按照预期计划进行。
        参考文献：
        [1]孟淑君，杨俊，李静和，廖小倩，房琴，李文杰.基桩及地连墙质量缺陷地球物理探测现状及展望[J].工程地球物理学报，2018，15（03）：321-329.
        [2]蔡劲.超声波透射法在基桩检测中的应用探究[J].西部资源.2019，（5）.178-179.
        [3]周炜.浅谈超声波检测法在基桩检测中的应用[J].低碳世界，2018，（11）.194-195.
        [4]曹燕.超声波法在桥梁桩基检测中的应用注意事项[J].绿色环保建材，2018，（11）.98，101.