超声波透射法与低压变反射波法在基桩检测中的对比研究

超声波透射法与低压变反射波法在基桩检测中的对比研究

吴全旺、孔昊泉

安徽省建筑工程质量监督检测站 安徽省合肥市 230088

摘要：基于桩基础工程的隐蔽性和工序繁杂程度，施工建设所需的技术工艺难度明显提升，需要采取行之有效的基桩检测方法，为工程建设质量提供保障。本文从基桩检测方面两种较常用的两种方法展开对比分析，希望能够为相关工作提供借鉴。

关键词：超声波透射法；低压变反射波法；机桩检测；对比

桩基础目前已经在桥梁、码头、高层建筑等工程中普遍应用，尤其适用于大直径桩基础。但是基桩的隐蔽性和施工程序的繁杂性，极易被所处地域条件、技术工艺和作业条件等因素受到影响。基础质量对工程效果的决定性，需要实行科学合理的检测方式作为保障。现阶段基桩的超声波透射法、低压变反射波法较为常用，通过实践研究分析对比各自的优缺点后，采取更加适宜的检测方法，有利于提升工程建设效果。

1超声波透射法

1.1概述

超声波透射法，即检测砼灌注桩中预埋声测管发射、接收的超声波信号，得出砼介质传播过程中的声时、频率、PSD、波幅等参数，可作为桩身完整性检测的一种方法。该方法对于混凝土管桩注中直径在800mm以内的完整性检测方面具有明显的适应性。

1.2检测原理

超声波透射法，是针对砼结构实行的高频超声波信号探测方式，并且受到频率高、波长短的特性，提高了分辨率，能够更快地识别出缺陷区域。桩身完整性检测时采用该方法，是通过预埋声测管，保障清水注入后的密封性后，可作为耦合剂进行使用，将接收换能器、发射换能器分别安置于两根声测管。具体来说，跨孔超声检测仪发出的周期性电脉冲，经过发射换能器处理后，转变为超声脉冲，而在接收换能器接收后，呈现电信号状态。跨孔超声检测仪能够对混凝土中传播所需的多项参数检测出来，如时间、频谱、波形、主频率等，再经过数据分析软件进行接收信号的综合分析判断，得出砼内缺陷的大小、位置、性质，为砼强度登记、总体均匀性等指标的确定和评价奠定基础。一般情况下，超声波在穿过基桩时的声学参数，如波速、波幅、主频等会受到工艺技术、材料、均匀性、测试距离的影响，呈现大致相同的测量值，如果断裂、加泥、孔洞、离析等缺陷局部存在于砼中，会大大降低阻抗值，超声波的传播波幅、频率呈现异常，需要以工程地质条件、施工情况为基础，综合得出砼中具体的缺陷位置、程度，及其性质。这样的检测方式，成为基桩的完整性检测。

2低压变反射波法

2.1概述

低压变反射波法，即基于一维波动理论进行的桩身完整性，通过桩顶激振检测速度时程曲线，在时域或频域分析后得出检测结果。该方法利用了桩顶速度响应信号特征，在判断桩身完整性的过程中，得出缺陷位置、程度和桩端嵌固状况，能够较好地适用于刚性材料桩检测，同时在桩底伴有反射信号。

2.2基本原理

2.2.1基本模型

低压变反射波法，基于桩身传播应力波过程中的反射特征，通过假定桩属于具有连续弹性的一维均质杆，桩周土体影响到桩身传播过程中的应力波情况需要排除在外。弹性体振动典型模型，能够体现出基桩直杆的纵向振动情况，推到相应的振动方程时，需要假定材料均匀、忽略横向惯性效应、横截面应力分布均匀、质杆变形时的横截面处于平面且平行状态，如图1。

图1 基桩模型

设直杆轴线为X轴，假定与坐标相关的有初始截面积A、密度ρ、弹性模量E等参数，且仅为x、t的函数，直杆沿轴向的各截面以u（x，t）表示纵向振动位移。设截面x有 的纵向应变，有内力F（x）。得出公式：

（1）

截面x+dx处的内力：

（2）

根据达朗伯原理，杆微元dx得出方程式：

（3）

以此得出直杆纵向振动微分式：

（4）

其中直杆的纵波传播速度的方程式为 。

2.2.2分析方法

1. 时域分析

随意抽取某段桩身用于分析，以介质密度ρ、波速c、截面面积A、弹性模量E分别进行表示，使

（5）

Z表示广义波阻抗， ；

通常，参数ρ、c、A会因桩身尺寸、材料物理性质而发生变化，具体的变化位置即波阻抗截面，两个截面呈以下公式表示波阻抗比值

（6）

桩顶激振产生的压缩波，沿桩身向下呈波速c的传播状态。截面波阻抗发生后，伴有反射波、透射波。应力波传播理论中，两种介质只要始终处于接触状态，能够以连续性条件、牛顿第三定律为依据，在截面两侧的质点速度、应力都相等的情况下，有方程式：

（7）

根据波振面动量守恒条件，可得出：

（8）

上式联立后得出：

（9）

（10）

其中，F、T分别表示反射系数、透射系数， （11）

波动方程可以分离变量法表示为：

（12）

得出常微分方程式：

（13）

桩周土支撑桩的作用，需要减掉阻尼作用，以桩底起作用的弹簧表示，k为刚度。在桩顶处于自由端、未有应力产生、弹簧作用力下的桩底状态为-ku时，边界条件可表示为：

（14）

U（t）属于常数，在式（12）、（13）带入式（14）后，得出c=0，式（14）的桩基振动频率可表示为：

（15）

在 时，桩底支撑处于绝对柔性状态，可得出固有频率 、基频 ：

（16）

在 时，桩底支撑处于绝对刚性状态，可得出固有频率 、基频 ：

（17）

在支撑情况处于0 （18）

其中，0<α<0.5，是桩周土刚度系数k所代表的函数范围。

式（16）、（17）可用于计算相邻两阶的固有频率差额：

（19）

低阶固有频率（ ）一般会受到桩周土刚度系数k的影响，频差很难长时间处于等间距状态， 会因阶数的增加而趋于常数 。

桩身有缺陷时，应力波来回反射于桩顶、缺陷之间，形成相应的频率谐振峰 ，此时的相邻振锋频差：

（20）

其中， 表示缺陷距离桩顶的长度。

式（19）、（20）可作为频域法应用过程中桩身质量的判断依据。

3优缺点比较

3.2.1超声波透射法

1. 优点

一是大于0.8m桩径的各类灌注桩较为适用，不限桩长，属于最有效检测长大桩完整性时的唯一方法；二是一条桩上的缺陷在不同高度、截面位置有多处分布时，可以通过分别检测得出准确数据，互相之间不受影响；三是桩身缺陷判定通常因声学参数不同而发生变化，且不受地质地貌影响，更易于操作。

2. 缺点

一是预埋声测管方式明显增大了造价成本，增大了施工难度；二是埋设声测管存在很高要求，最终的检测结果会受到埋设质量的制约，如果发生堵管，即意味着检测无法推行，判定基桩完整性也就会受到影响；三是无法完成声测管之外的砼检测；四是采用的现场检测方式，工作量大、效率低。

3.2.2低压变反射法

1. 优点

一是现场检测的效率高、工作量小；二是桩施工不再有其他工序，可以在不预埋声测管的情况下，有效控制了工程造价；三是便于处理数据，基桩质量的缺陷能够快速发现；四是桩身不深的缺陷能够直接检测出来；五是可由已知的尺寸大小得出基桩刚度、密度，或是将已知材料作为反算桩长的依据。

（2）缺点

一是由波阻抗推出扩径和缩颈、大致的缺陷位置，但是不能准确分析出不同缺陷的实际方位、程度、性质；二是不能较好地解决砼强度、击振频率在混凝土波速方面的影响性，反算桩长、计算缺陷位置都存在误差约10%；三是缺陷深度很难进行定量分析，还处于定性析阶段；四是长大桩、多缺陷桩的检测结果的准确性较差；五是有一定的检测盲区。

结束语

超声波透射法在现阶段的基桩检测中相对具有优势，但是与低压变反射法相比，各自具有一定的优劣势，逐步发展为现今主要采用的基桩完整性检测方法。这就需要在实测过程中，充分考虑检测方法的造价成本、应用效率、工作量等因素。

参考文献：

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