超声波法检测桩身完整性现场注意事项及实例分析

超声波法检测桩身完整性现场注意事项及实例分析

梁子聪

广东特思工程检测有限公司

摘 要：随着我国科学技术的不断发展，超声波技术得到应用的范围也越来越广，超声探伤、超声测距、超声流量计、超声开关等技术在我国越来越成熟。超声波技术在桩基完整性检测中的应用，不仅能分析判断基桩的缺陷程度（不能定性夹层、孔洞、断层、缩颈等内部问题）及位置、范围，还可检测混凝土的强度和混凝土的结构质量。

基桩桩身完整性的检测评判方法有很多，如：低应变法、高应变法、声波透射法、钻芯法、孔内摄像法等，各种方法有各自的局限性，判断桩身完整性应根据实际情况进行多种方法互补验证。由于检测数据的采集处置与现场检测人员的专业素养、技术经验有很大的影响因素，采集过程遇到的各项情况多变，如没有规范的操作和数据异常情况的现场初步判定排查更正记录，极易对采集的数据造成不够科学严谨、真实可靠，也会对数据分析造成很大的影响，造成桩身完整性的误判。鉴于此，本文阐述了超声波透射法的工作原理以及通过实例分析如何避免现场操作影响超声波透射法检测结果准确度。

关键词：超声波；现场桩身检测；完整性分析

引 言

随着我国建筑行业的飞速发展，建筑工程地基结构的最重要形式就是桩基。桩基工程的质量检测也就成为了工程建造中最关键的环节，桩基结构的完整性和桩基的承载力对上层建筑结构的安全及稳定起到了决定性的作用。因而，桩基的监测是整个建设环节中必不可少的，只有桩基的质量检测工作和数据分析结果精准，桩基建设的质量才能得到牢靠的保障。

一、基桩超声波透射法的检测原理

超声波透射法适用于桩径在0.8m以上的钢筋混凝土桩基完整性检测。超声波属于机械波，其传播方式为纵波，检测中将混凝土介质看作是弹性体，声波在桩基内部传播可以看作是弹性波传播。超声波通过发射换能器，通过水的耦合作用传递到声测管，进一步传递到混凝土介质中，最后到达声测管的接收端。通过接受换能器接受声波信号，转化为电信号，最后将电信号传递到超声检测装置。

如果混凝土内部缺陷，产生的不连续界面会阻碍声波的传递，从而产生发生绕射与散射，造成声波能量损失。若桩基混凝土内部存在孔洞，声波传递进去会产生散射或绕射，声时延长，振幅与波速都会产生衰减。通过声波的发出时间和达到时间，结合声波的频率、波形畸变程度和能量衰减情况计算检测范围内的混凝土声学参数。通过分析不同检测剖面和不同高度的声波特征的检测结果进行分析处理，可确定桩基混凝土的强度，缺陷的性质和空间位置。

二、实际检测中注意事项

超声波透射法测桩的准确真实性受到多方面的影响，检测人员现场检测时必须注意各方面的细节，做到严谨可靠、科学认真、规范负责，下面根据笔者多年现场经验总结以下几点：

1、接受到项目的委托通知后，应对成桩的各种信息进行了解，比如：桩径、桩长、成桩日期、桩身混凝土设计强度、钢筋笼与声测管是否通长等，以便我们选择换能器的数量、是否满足规范规定的检测龄期等，并将检测方案携带或拷贝电子版。

2、出发现场前，应检查仪器设备是否正常，电量是否充足。并且对所携带的换能器进行简单测试，以防到达现场才发现设备无法进行检测。并询问现场情况（包括不限于天气、场地具备、声测管是否通畅及灌注清水等）。

3、到达现场后，首先根据具有委托方及监理签名确认的桩位平面图对所抽检桩进行桩位置核对，然后复查声测管情况（数量、管中水）。

4、根据规范要求定好管号及对应检测换能器通道，对换能器进行现场简单的零声时测试，采用直测法（即十字交叉法），测试后记录好各剖面零声时，并输入设备。以免错误的零声时造成声速的错误换算。

5、量测声测管净距（即相对外壁距离，宜量测靠近混凝土面的声测管净距，减少露出管因碰撞或挤压造成的倾斜误差）；量测声测管壁厚；并真实记录相关数据。

6、将换能器小心放入声测管中，缓慢放进，当遇到堵管时，切不可强行拉高下砸，可采用钓放一定长度且稍大与换能器直径的钢筋段进行通管，也可采用高压水管进行冲管。当无法进行通管时，应进行记录，另外剖面如可顺畅通底，可连同堵管剖面有效深度先进行检测，其数据只可对有效剖面深度评判而不可进行整桩评判，可采用钻芯法检测进行综合判定整桩完整性。

7、根据现场记录及施工资料输入相关参数，进行延时增益等调试，即可开始检桩，检测过程中不得更改设定参数。

8、为确保测试波形稳定，根据相关规范要求应匀速提升，且速度不大于0.5m/s。发射换能器与接手换能器应同步提升，其高差不应大于100mm，建议每提升10m进行一次校正深度。

9、波形、波幅或波速明显异常时，应及时作出初步判断，并且现场对异常段进行加密测、斜侧或者扇形测。

二、超声波透射桩基完整性检测

2.1声测管

(1)材料与尺寸

声测管必须具备足够强度，在施工中不得产生变形，以金属波纹管与塑料管最为常用，因塑料管自身温度系数和混凝土存在很大差异，所以在混凝土不断凝结时，塑料管会和混凝土间产生裂缝，对测试结果造成影响，产生误判。此外，混凝土硬化时还会放出大量水化热，且钢筋笼吊装时产生很大的作用力，为避免声测管发生变形，对检测造成不利影响，需在实际工程中考虑具有较大刚度的金属波纹管。为使换能器可以正常的上下移动，对于声测管直径，一般大于换能器10 mm，通常在35～50 mm范围内。

（2）声测管埋设

声测管的埋设数量根据桩径确定，按不同标准规范的规定有些许差异，这里不做赘述。

声测管的布置应完全对称，而且应保持平行。两根声测管可以形成一个完整的侧面。

2.2检测时间

对混凝土而言，它是一种和龄期有直接关系的材料，伴随时间不断延长，混凝土强度持续增加，同时受环境及气候等因素的影响相对较大。为实现信息化施工，及时发现潜在问题，而又防止由于强度过低对测试结果造成影响，产生误判。通常要求在检测时混凝土强度必须达到70%，同时不得低于15 MPa。根据以往工程经验，检测开始时，龄期要达到14d以上。

2.3检测方式

(1)桩内单孔透射

桩内单孔透射钻芯取样完成后，当仅有一条孔道可供超声检测时，为对周围混凝土进行测定，需将这一方法作为常规钻芯检测重要补充。这一情况下，将换能器放到孔内，使用专门的换能器进行检测。

(2)桩外孔透射

桩外孔透射此方法是因为桩基的上部结构完成施工，或桩内未预留声测管，无法在桩孔内放置换能器实施检测，于靠近桩身外侧的土层进行钻孔，然后在桩顶处设置平面换能器，孔道中安放另一个换能器，不断慢速提升这一换能器，以测试数据变化为依据，对桩身质量进行判断，由于土层中超声波的衰减速度相对较快，故此方法仅可在短桩中使用，且只能判断是否存在断桩与夹层等较为严重的缺陷。

2.4桩身完整性判定标准

根据超声波传播参数的基本特征，可对桩身完整性进行判定，根据超声波波速、波幅情况，可将桩基分为以下四类。

(1)Ⅰ类桩。Ⅰ类桩桩基超声波检测结果显示波速、波幅值均高于临界值，波形正常，各检测断面声学参数无异常，说明桩基完整无缺陷。

(2)Ⅱ类桩。这类桩超声波检测结果显示波形基本正常，个别波速、波幅略小于临界值，个别检测断面声学参数存在异常，说明桩基局部存在轻微缺陷，不影响桩基的承载力，可以正常使用。

(3)Ⅲ类桩。这类桩超声波检测结果中波速变化不严重，但检测断面存在多个测点波速、波幅小于临界值的情况，且存在两个或两个以上检测剖面在同一位置的声学参数存在异常，说明桩基局部存在较严重的缺陷，会降低桩基承载力，需要进行处治后方可使用。

(4)IV 类桩。这类桩超声波检测结果显示波形出现严重畸形，且某一个检测剖面出现连续测点明显低于临界值，且且存在两个或两个以上检测剖面在同一位置的声学参数存在明显异常，首波波速很低，甚至检测不到，波速曲线接近直线，说明桩基存在严重缺陷，不能正常使用，应当做报废处理。

三、超声波透射法检测桩基完整性的影响因素

3.1声测管

其一，声测管的绑扎不牢固，使其偏离设计位置，导致桩顶、桩身测距不相符，在桩身上，某段间距变化较大，对测量结果准确性造成影响，此类异常信号具有以下特征:(1)信号连续，且变化规律，但声时与波速不断增加或不断减小;(2)波幅通常不会产生衰减，且波形一般较为完整。针对这种问题，可采取以下措施处理:(1)在施工中确保声测管保持平行，绑扎牢固;(2)对波速测量值进行修正，采用PCS程序。

其二，混凝土和声测管间有细小的裂缝，若声测管为PVC塑料，则因PVC和混凝土在温度系数上有明显差异，且混凝土硬化时会放出大量热，所以PVC管将受热膨胀，产生变形，而在硬化完成后，会因为温度降低不断收缩，最终产生裂缝，对超声波实际传播造成不利影响。因此，在实际检测过程中通常不采用PVC管，以金属波纹管为主。缺陷特征为:(1)首波不显著;(2)波形异常，波速与主频均较低;(3)桩身下部的异常信号较为明显。

3.2混凝土龄期

如前所述，混凝土属于典型的龄期材料，伴随时间不断延长，混凝土强度明显变大，如果检测的时间过早，则强度未达到要求，声波将产生较大衰减，此时的波幅及波速均较低，容易产生误判。

3.3介质水

采用超声波透射法对桩基进行检测时，要在声测管中灌入清水，将清水作为一种耦合剂。若采用泥浆水，则混合颗粒将增大散射衰减，导致声波的波幅及声速都减小。

3.4声时

零声时主要由以下三部分构成:其一，系统延时;其二，耦合介质延时;其三，声测管管壁延时。对零延时而言，其是否准确对波速结果准确性有直接影响，若换能器和声测管的内壁相紧贴，则耦合介质延时将产生较大变化，使波速比正常值高或低。

3.5电压

目前常用的超声仪都采用电瓶供电，如果电瓶的电量不足，则换能器发出声能将降低，波幅比正常值小很多，如果对电瓶进行更换后再次检测，则幅值将恢复正常，可见，电压对最终的检测结果是有很大影响的，在检测开始前，应对超声仪电瓶电量进行检查，确认电量充足以后再进行正常检测。

四、超声波透射法检测桩身完整性的分析

超声波透射法检测桩身完整性的流程主要包括建立关系曲线、检测数据整理、完整性计算等内容。

4.1建立关系曲线的分析

建立关系曲线是使用超声波透射法检测桩身完整性的第一步。通常来说桩基础和桩身通常会处于地下或者是水下，因此导致了其施工程序繁琐并且技术要求较高，因此在对其使用超声波透析法时需要首先建立相应的关系曲线来对比规范并且在已有判据的基础上对桩身的质量进行有效的判定。根据模糊数学中的相关理论，在桩身的质量评价中，其混凝土的整体强度与超声波的波速之间通常会存在着一定的相关性，究其原因可以发现是因为混凝土的强度与弹性模量之间具有一定程度的相关性，即弹性模量越高时混凝土桩身的完整性往往也就越高，即通过这种相关性我们可以推导出其中的关系曲线。

4.2完整性计算的分析

在检测数据整理完毕后，在通常情况下工作人员需要对数据进行完整性的计算。在计算的过程中需要注意由随机分布引起的计算误差。根据模糊数学中的相关理论，可以证实混凝土桩身的完整性超声波检测的质量波动是符合正态分布的。在这一过程中需要注意的是，虽然超声波的波速和混凝土桩身的强度之间具有一定程度的相关性，但是能够直接影响到波速的因素还有很多，因此在完整性计算的过程中可以发现其计算结果并不会完全的符合模糊数学中的正态分布。因此在这一前提下应当对桩身强度可靠度的计算，在计算方法上可以采用一次二阶矩法来进行完整性计算结果的验算，从而促进超声波透射法检测桩身完整性计算整体水平的有效提升。

五、实例分析

1、广东某工地，A#桩桩径1000mm，施工桩长25.4m，埋设3根声测管。经声波透射法检测，该桩1-2剖面于17.20-18.80m处见严重异常；1-3剖面于17.40-18.20m、19.40-19.60m处见严重异常；2-3剖面于17.20-18.80m、19.40-19.60m处见严重异常。严重异常处的波形难以分辨首波，且后续波形平坦，典型的四类桩波形。

后进行钻芯验证，共钻取两孔，1#孔桩身混凝土芯样于17.55m～17.95m局部夹泥，2#孔桩身混凝土芯样于17.88～18.18局部夹泥。钻芯法验证结果与声波透射法检测结果基本吻合。以下为声波透射法深度-声速、声幅曲线，部分波形图，波列图以及钻芯验证芯样图片。

深度-声速、声幅曲线部分波形图波列图钻芯1#孔钻芯2#孔

六、结束语

综上所述，桩基混凝土完整性是评判桩基整体质量的重要指标，超声波透射法作为一种无损检测方法，以其检测结果真实、操作便利等优势得到广泛应用。而在具体应用过程中，应重视对检测结果有一定影响的因素，如声测管、混凝土龄期、耦合介质、声时、电压等，采取有效措施规避这些因素的影响，以保证检测结果真实性与准确性。

参考文献

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