超声波检测技术在混凝土灌注桩完整性检测中的应用
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摘要：本文主要就混凝土灌注桩完整性检测的超声波检测技术进行了一定程度的论述，希望有所作用。
Abstract: in this paper, concrete filling pile completeness inspection in ultrasonic testing technology to a certain extent discussed, hope to function.
Keywords: ultrasonic detection; Concrete piles; Pile foundation completeness inspection
中图分类号：U443.15+4文献标识码：A文章编号：
桩基础的质量直接关系到整个构筑物的安全，和人民的生命、财产的安全。因此，桩基础工程的检测和质量检验尤为重要，准确地对桩基进行评价是桩基质量检测的一个核心问题。
声波透射法是在材料超声检测技术基础上发展起来的。至20世纪70年代，声波透射法开始用于检测灌注桩的完整性。声波透射法以其检测结果准确、可靠、直观和不受桩长桩径限制等鲜明的技术特点，成为目前混凝土灌注桩（尤其是长、大直径灌注桩）完整性检测的重要手段，在公路、铁路、工业与民用建筑等工程建设等许多领域得到了广泛的应用。
一、声波透射法检测基本原理
超声波法可以根据波的传播途径和接收方式分为两种：透射法和回波法。回波法在金属探伤方面有着非常广泛的应用，但由于混凝土的非匀质性，回波法的效果受到了严重的影响，目前应用较多的是透射法。
声波透射法原理：由超声脉冲发射源向混凝土内发射高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性；当混凝土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，使接收到的透射波能量明显降低；当混凝土内存在松散、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性、频率变化及波形畸变程度等特征，可以获得测区范围内混凝土的密实度参数。测试记录不同侧面、不同高度上的超声波特征，经过处理分析就能判别测区内混凝土存在缺陷的性质、大小及空间位置。由于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，声波在其中传播的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、夹泥和密实度差异等，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，来分析判断桩身完整性等级。
二、超声波检测技术在混凝土灌注桩完整性检测中重点注意事项
（一）声测管的布置及要求
声测管是声波透射法测桩时，径向换能器的通道，其埋设数量决定了检测剖面的个数，同时也决定了检测的精度：声测管埋设数量多，则两两组合形成的检测剖面就越多，声波对桩身混凝土的有效检测范围就更大、更细致，但需要消耗更多的人力、物力，增加成本；减少声测管数量虽然可以减小成本，但同时也减少了声波对桩身的有效检测范围，降低了检测精度和可靠性。对于声测管的埋设数量和布置方式是由桩的直径大小决定的，根据声波对桩身混凝土的有效检测范围，当桩直径D≤1000mm时，沿桩直径方向布置两个声测管；当桩直径1000mm2000mm时，呈四方形布置4个声测管，如图1所示。
a）D≤1000mmb)1000mm2000mm
（二）数据整理、分析及判断
a、目前广泛使用的声波透射法检测仪器带都有很强的数据处理功能，声学参数的计算和声参数-深度曲线的绘制都由计算机完成。
b、桩身缺陷以声速、波幅、PSD判据、主频、实测波形等进行综合判定，用于判断桩身混凝土缺陷的多个声学指标各有特点，但均有不足。相对于其他判据而言，声速判据是最稳定、最可靠的，声速测试值有明确物理意义，与混凝土强度有一定的相关性，是进行综合判定的主要参数；波幅的测试值是一个相对量，本身没有明确的物理意义，其测试值受许多非缺陷因素的影响，测试值没有声速稳定，但它对桩身混凝土缺陷很敏感，是进行综合判定的另一重要参数。在实际应用中，既不能唯“声速论”，也不能不分主次将各种判据同等对待。声速与混凝土的弹性性质相关，波幅与混凝土的黏塑性相关，采用以声速、波幅判据为主的综合判定法对全面反映混凝土这种黏弹塑性材料的质量是合理、科学的。
d、常见缺陷的声学特征
1）沉渣：沉渣属于松散介质，本身声速很低，对波幅的衰减也相当剧烈，在桩底出现有声速和振幅均剧烈下降时通常由于沉渣所引起。
2）夹泥：这类缺陷多由浇注导管提升不当造成，若处在桩身就是断桩，在桩顶就是标高不够。其声学特点是声速和振幅均明显下降，出现在桩身经常表现为突变，在桩顶是缓变。
3）孔壁坍塌或泥团：声速与振幅均下降，但下降多少则视缺陷情况而定。如果是局部的泥团，并未包裹声测管，则下降的程度不是很大；如果泥团包裹声测管，则下降程度较大，特别是振幅的下降更为剧烈。一根声测管被泥团包裹也将影响两个测试面。
5）混凝土离析：灌注桩容易发生混凝土离析，造成桩身某处粗骨料大量堆积，而相邻部位浆多骨料少的情况。因粗骨料声速高，粗骨料多的部位声速值并不低，有时反而有所提高。但由于粗骨料多，声学界面多，对声波的反射、散射加，接收信号削弱，于是波幅下降。而粗骨料少而砂浆多的地方则正好相反，测得的波速下降，但振幅测值不但不下降，有时还会高于附近测值。这时应采用波速和振幅两个参数进行综合的分析判断。
f、常见的非缺陷异常
1）声测管的接头异常
当接头处存在空气夹层（采用套筒焊接方式时易发生），且换能器刚好位于接头处时，空气强烈反射声波能量，使声学参数测值明显降低，特别是振幅测值。这种情况的判断方法是：将换能器移开一定距离后，测值立即正常，反差极大。
2）声测管剥离缝异常：声测管埋设后混凝土未完全凝结之前受到意外扰动形成缝隙，或采用朔料材质的声测管，因热膨胀系数悬殊而形成收缩缝，此种情况将导致声速、波幅严重下降。
3）声测管附着物异常：声测管埋设过程中，当不小心附着泥团或其他干扰物时，因其距离换能器很近，将对声参数测试产生显著影响，严重时无法取得信号。
4）浑浊水异常：浑浊水会导致声速、波幅下降，特别是浑浊水沉淀到桩底后，相当于浓泥浆，严重时甚至无法取得信号。
5）斜管异常：在实际工程中，声测管之间很难保持绝对的平行，如果安装时操作不当或声测管连接、固定不好，可能会造成声测管严重倾斜、弯折、翘曲，使同一剖面内各测点的测距发生很大差异，导致推算的声速与测点的实际声速有很大差别，甚至使检测试验失败（实测数据无法分析）。
（三）地下含水量
如果桩身在浇筑过程中产生了孔洞且孔洞位置在地下水位之下时，地下水便会进入孔洞。当应用超声波进行检测时，声波穿透缺陷过程中实际上还穿透了地下水。如果检测缺陷的范围比较小，就有可能造成漏判。
（四）声波透射法与钻孔取芯法相互应证、综合利用
在某中桥的基桩检测中，某号桩设计桩径1.5m，预埋3根检测管，声波透射法检测发现桩顶及以下3m混凝土严重夹带砂浆。用钻孔取芯法验证时，却没有发现这一问题。最后经过开挖，证实声波透射法结果正确，缺陷部位正好处于流沙层，检测管被流沙包裹住，声测结果缺陷截面偏大。而钻孔部位靠近桩的中心，所以避开了缺陷范围，没有反映出桩身质量的真实情况，故钻芯取样的过程时应尽量在声测过程中发现问题的界面附近钻取芯洋以反映真实的桩基情况。
（五）桩身混凝土的龄期影响
在某些标段的基桩检测中，由于个别工地工期紧，而且正值7月，气温较高，混凝土的强度应该上来的很快，所以现场监理和施工单位希望对灌注后第5d的桩基进行检测。检测过程中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9天再次检测，信号及波形良好，结果分析为完整无缺陷桩。可见龄期对声测结果的影响之大，建议检测时间至少要7天。
（六）声测管问题
a、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其在桩截面上的布置方式，将直接影响检测结果。因此，需检测的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸，布置声测管的埋置数量及其在桩横截面上的布局应考虑检测的控制面积。
b、在声测管材质的选用方面，以与混凝土粘合好、透声率大、安装方便及费用较低为基本原则。钢管与混凝土粘合好，刚度较大，埋置后可基本保持其平行度和平直度，目前许多大直径灌注桩均首选钢管作为声测管。但钢管的价格较贵，接头施工较费时。塑料管具有较大的透声率，价格较低。但其与混凝土的粘合较差，容易产生收缩缝，尤其是桩顶以下3～4m范围内，严重影响测试数据，且较之钢管更容易变形。专用声测管是专利产品，其优势是施工工效大大提高，且价格低于普通钢管。声测管内径一般比径向换能器直径大10～20mm即可。当采用专用声测管时，一般选用Φ50规格即可。
c、声测管―般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套简接口或套管焊接方案，尽量避免两声测管直接进行焊接，以免内壁进入焊渣，造成堵管现象。且应保证在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁应保持平整，安装完后将上下口用木塞堵住。
d、在埋设长桩时，应当采取有效的措施克服声测管浮力的影响，如埋设前事先往声测管中灌水等，避免因浮力过大造成安全事故。
f、在声测管安装和埋设过程中，特别是雨天，应避免使声测管及其周围附近附着泥块或其他透声率低的物质，影响检测结果。
三、展望
声波透射法在桩基完整性无损检测中已经取得广泛的应用，但是在还应当进一步结合工程实际改善数学模型，加强理论研究，对各种桩身缺陷的声学参数进行更细致的频谱分析，并将它纳入到混凝土强度和混凝土缺陷检测中去，可大大提高检测结果的精确性，减少误判率，为进行更为准确的定量分析提供依据。声波透射法桩基检测要求预埋声测管，使得通过声测管对桩基缺陷进行处理成为可能，对这方面进行研究将开辟一条集检测与补强加固于一体的、安全可靠的、经济有效的途径。
参考文献：
[1]林维正，苏勇，洪有根．混凝土裂缝深度超声波检测方法[J]．无损检测，2001(8)：49―50．
[2]岳丹，王菊．混凝土框架梁内部缺陷的超声波检测及分析[J]．东北煤炭技术，1999(2)：20．