超声波透射法在公路桥梁基桩检测中的应用

超声波透射法在公路桥梁基桩检测中的应用

程楚涵

中交四航局第三工程有限公司,广东湛江市,524022

摘要：为保证公路桥梁工程的安全性，确定其实际承载能力，进行公路桥梁基桩检测是必然要求，超声波透射法以其使用简便、技术先进、稳定可靠、检测结果精准等优势广泛应用于公路桥梁基桩检测中。首先对超声波透射法的基本原理和适用范围进行分析，以中山至阳春高速公路开平至阳春段 TJ-08 标为实际案例，结合工程实际，对公路桥梁基桩检测中超声波透射法的应用要点进行探究，以防止检测结果因操作不当产生较大偏差，为类似公路桥梁基桩检测提供参考依据。

关键词：超声波透射法；公路桥梁；基桩检测；应用要点

随着我国公路交通网络的不断扩张，公路施工压力越来越大，一方面要保证施工质量，保证公路使用寿命，另一方面要保证施工时效。桥梁工程是公路建设不可回避的施工重点和难点，也为缓凝土灌注桩、大量混凝土灌注桩应用于桥梁工程提供了发展契机，对公路桥梁工程的施工安全和质量保障产生了直接影响。因此，无损检测技术开始进入公路桥梁检测市场，尤以超声波透射法的应用为最佳。超声波透射法可以进行局部检测，对特定位置的数据信息进行瞄准透射，发现撞击中存在的瑕疵，精准判定目标位置，为基桩检测的精准预判提供了极为可靠的判定依据。

1、超声波透射法的基本原理和应用范围

1.1 公路桥梁基桩检测采用超声波透射法原理

超声波透射法检测基桩的完整性主要是根据声参量的变化，对混凝土灌注桩桩的体部缺陷和完整性进行评价的有效方法，它通过在桩内预埋多根声测管，在管内沿探头逐点检测，以声参量的变化确定缺陷位置和桩体的完整性评定。这一过程主要体现声波的特性，为基桩探测提供良好的通道环境，首先要在被测桩内部预埋设两根及两根以上垂直平行的声测管，设置探测通道，在声测管中导入适量清水，然后将超生脉冲发射器和接收换能器放置在声测管中，利用超声波仪器激励发射产生波动的换能器。然后超声脉冲穿透桩体，穿过混凝土，再传到接收换能器，这个过程中超声脉冲传到桩体有缺陷的地方，就会产生波形的变化，然后根据波形的变化来判断基桩有没有缺陷，这样做进一步的检查就很方便了，我们在做基础桩体缺陷的时候，可以根据这个波形的变化来判断这个问题。如果在混凝土部分存在蜂窝状结构，超声波投射时会产生波的散射和绕射，从而对混凝土中存在缺陷的部分进行不同的波段反应(bandreaction)。图 1 为超声透射检测示意图(超声透射检测示意图)。

图 1 超声透镜探测示意图

1.2 超声波透射法适用范围公路桥梁基桩检测

根据《公路工程基桩检测技术规程》(JTGT3512-2020)的规定，对于复杂地质条件下的公路工程，如工程基桩长度在 40 米以下，应采用超声波投射法(超声波透射法)，要求其桩径在 2 米以上，桩长在 40 米以上。由于桩径长度不符合超声波检测的基本条件要求，造成超声波发出后没有较长的传播通道，因此对于桩长较短的基桩，可以采用低应变法进行检测。公路桥梁工程基桩检测采用超声波透射法时，应结合工程实际情况，在桩身预先埋设预声测管，如图 2 所示，桩径小于 0.8m 的，需至少埋设 2 根测音管，大于 0.8m、小于 1.5m 的，需至少埋设 3 根测音管。至少需要埋设 4 根声测管，以此类推，在桩径较大和 2.5 米的情况下，埋设声测管数量相应增加。

目前公路桥梁工程桩基多采用1,m、1.25m桩径，声测管按图1（b）的布置方式埋设。

图 2 音响测管布设示意图

2.超声透射法用于公路桥梁基桩的检测。

以下采用超声波透射法对项目中公路大桥基础桩体进行基桩检测，以中山至阳春高速公路开平至阳春段 TJ-08 标为实际案例， 具体应用流程如下。

2.1工程概况

中山至阳春高速公路开平至阳春段 TJ-08 标整体呈东西走向，路线全长约 83.579 公里，该标段主线共 11 座桥梁，均为双幅桥梁，该工程桥梁工程上部分结构为多跨先简支后连续箱梁(简支跨度 17)。5、19 米、20 米、22.5 米、25.5 米、26.6 米、30 米、35 米)、多跨现浇连续箱梁及(40+2 × 70+40)米连续刚构。桥墩分为两种，一种为双柱式桥墩，一种为薄壁实体桥墩，其中位于罗阳高速中央分隔带主墩上的薄壁墩用于连续刚构的三个主墩以及跨罗阳高速的现浇连续梁，其余均为柱式桥墩，最大墩高 27.4 米。基础分柱桩和群桩基础（基桩+承台）两种，柱桩用于柱式桥墩，而群桩基础用于薄壁桥墩。漠阳江特大桥的桩基最长，高流河处的为61m，主桥主墩最大桩长40m。本项目采用 RSM-SY5 声波发生器作为监测仪器，对 3#墩 2#桩基桩工程进行检测，检测应用要点如下：

2.2 超声波透射法检测应用要点

2.2.1基本要求

本项目涉及桥梁较多，共有11座桥梁，结合不同桥梁的结构，以各个桥梁为单位作为一个检测单元，实施逐个检测，将每个单元在规定时间内监测完毕。检测时应注意控制检测时间，在混凝土强度达到设计强度 70%，承受 15MPa 以上压力值时，可采用超声波透射法检测，直至混凝土浇筑结束。考虑到公路桥梁施工的特殊性，基桩检测时应在承台基坑开挖完成后，且桩头破除并切除声测管顶部管节后进行，一般而言，当某承台最后一条桩基浇筑完成20d后开始进入超声波投射检测环节。

2.2.2准备工作

（1）预埋声测管

结合基桩位置的预埋声测管，基桩在 1.5 米以下，应至少预埋 3 根声测管，若基桩在 1.5 米以上，则需至少预埋 4 根声测管，本项目所测基桩为 2.5 米，预埋声测管为 5 根，声测管选用直径 1.5 厘米的金属管材，管材之间接合处采用螺纹链接固定。

（2）检查仪器和设备

基桩检测所需设备包括超声波监测仪、换能器、显示系统等，基桩检测前应先检查相关设备，首先检查设备自身情况，确保设备的完好；其次，对设备进行通电试用，确保设备通电后能够正常使用，确保基桩检测过程。

2.2.3展开检测

检测开始之前，提前设定好各检测点之间的间距，将被检基桩的相关设计参数进行录入，如本工程检测基桩为3#墩2#桩，将该参数提前录入检测设备中，做好记录。在具体检测过程中，可根据平测法、斜测法、扇形扫测法等基桩的实际情况选择合适的超声波透射监测方法，必要时可对本项目的平测法、斜侧发、扇形扫射法等基桩检测进行钻芯取样验证，具体如下：

(1)如图 3(a)所示，主要反映的是平测法的应用状态，在公路桥梁工程基桩检测过程中，平测法是比较常见的一种检测方法，但如果在平测法检测过程中出现异常监测点，这时就可以巧妙的利用助斜式侧发或扇形扫测法进行加密测试，进一步巩固基桩检测的结果，如果在平测法检测过程中出现异常，若在使用平测法检测时发生异常平测的主要操作过程是首先将超声波发射器和接收换能器分别置于 1、2 声测管管的底部部位，如图 3 所示，保持标高一致，超声波由下往上发射，根据事先预设好的检测点之间的间距，同时开启接收换能器，在超声波发射过程中，超声波波长、声时、波幅、纵速等相关参数由主机自动记录下来，在超声波发射过程中，各检测点声波信号自动规整，超声波曲线图在后期形成。结合近几年公路桥梁检测中对超声波投射法的应用，了解到最终形成的超声波曲线图是分析基桩混凝土缺陷部位及缺陷类别的关键，能够快速精准诊断基桩存在的各种问题，便于及时提出解决对策，保证公路工程的施工质量。

(2)斜测法主要用于验证检测结果如图 3(b)所示，在本项目基桩检测中，采用斜测法检测时，主要有两种方式，主要是由于斜测法存在一定的检测误差，不宜采用单一的作业方式进行。一是在安装发射换能器和接受换能器时，注意拉开两者的高度距离，发射换能器要比接收换能器高，以一个步长为最好，在可疑点下方 0.5 倍的基桩半径处放置发射换能器；二是将发射换能器与接收换能器交换位置，使接收换能器位于发射换能器上方约一个步长，且位于基桩半径 0.5 倍的可疑点下方。但在采用斜测法检测时，注意控制步长长度，以≤100mm为宜，操作发射换能器与接收换能器时，注意控制力度，尽可能保持匀速稳定同步进行，一旦发现缺陷部位，为保证检测的准确性，每处缺陷检测至少2遍。

(3)如图 3(c)所示，在公路桥梁工程基桩超声波透射检测中，扇形扫测验证十分必要，其与平测法与斜测法不同，扇形扫测法将两个换能器分布在不同的基桩上，其中一个保持在基桩固定位置不动，另一个则逐点移动，超声波发射后。可根据另一换能器的移动呈扇形扫测状(各检测点的位置可平移变换)，此法检测的超声波数据不宜相互比较，而应注意某一相邻检测点的数据变化，根据超声波纵速速率及声波信号大小变化情况分析，最终测量出缺陷点。但采用扇形扫测法难以判断出基桩底部的缺陷点，这时可以进行加密平测予以验证。

图3桩基检测方法示意图

2.2.4数据处理

结合检测数据判断基桩完整性采用超声波透射法进行基桩检测，可结合声时、声幅、PDS~IJ 依据、主频判据、声时判据演变的声速判据等作为判断依据，将检测数据借助数字技术进行数据分析，绘制出数据图表和声波波动振幅图，从而对基桩完整性、钻孔灌注桩缺陷等进行精确判断，从而对基桩的完整性进行精确判断，对如表 1 所示，基桩的整体性可以分为四个等级，判断基桩的整体质量，并借助上述技术对基桩的特征值进行判断。

表 1 基桩桩桩身完好度判定表

桩身混凝土强度判断也是基桩检测重要依据，如表2所示，本工程基桩检测采用超声波透射法判定桩身完整性，结合声波透射数据进行参数分析，借助声波变动频率等发现基桩混凝土的各种缺陷。例如依据超声波的声时可以判断出基桩的弹性，依据超声波的声幅可以判断基桩混凝土粘接面性能。结合声波参量绘制数据图反馈基桩的整体质量。

表2桩身混凝土强度判断依据

图 4 是超声波透射法检测波形的几种常见检测方法。当基桩完整无损时产生的波浪图形相对平稳，起伏规律，如图4（a）所示，声时曲线也波动平稳，几乎是一条平直线，未出现明显的波折，均说明基桩整体性较好。

若基桩分离，超声波透射法检测测得的图形曲线极不平稳，甚至出现畸变图形，如图4（b）所示，常见的缺陷是桩体内有大量孔洞，是较为明显的基桩问题，当超声波穿过该基桩时，受桩体影响，超声波信号声场强度会有显著提升，其相对差值为10%～20%，且有不同幅度的衰减。

若基桩破裂也会出现明显的波浪形团，如图4（c）所示，这种波形严重畸变，说明基桩存在较大的缺陷，如局部岩心断裂等，这种问题背景下，一旦超声波传至该处，会存在明显峰值，甚至最大值超过30%，且幅度有很大幅度的下降。

图4检测中几种常见的波形

通过上述检测，最终得出该项目基桩检测超声波声时、声速、声幅深度图(图 5)，不难看出，在对 3#墩 2#桩体的监测中，声时、声速曲线基本一致，比较平稳，起伏状态也较小，未出现明显波动现象，由此判断 3#墩 2#桩体的完整性达到 Ⅰ 级。

图 53#墩 2#桩声时深度图，声速，声幅。

3结语

公路桥梁工程施工受环境因素影响较大，尤其面对地质条件复杂的环境状况，给施工质量及施工进度均造成严重影响。加上公路主干道桥梁基础体积较大、埋藏深度较深，施工风险性大。然而，为了保证公路桥梁工程的施工质量，必须对基桩进行监测，本文对公路桥梁基桩检测中超声波透射法的具体应用进行了分析，了解到该技术在公路桥梁基桩检测中具有独特的优势，对钻孔灌注桩的缺陷位置能够在较短的时间内做出判断，具有较高的准确性和安全性。要求相关施工人员在使用该方法检测时，注意规范操作相关设备，防止因操作不当导致的检测精度不足，影响检测效果，不利于公路桥梁施工质量的保证。

参考文献：

[1]王宝辉.超声波透射法在公路桥梁基桩检测中的应用[J].四川水泥,2023,(04)：267-268+271.

[2]叶时禄.基桩完整性检测技术在公路工程中的应用研究[J].运输经理世界,2022,(34)：22-24.

[3]吴祥龙,李国平.用于基桩缺陷检测的超声波径向换能器模态仿真研究[J].无损探伤,2022,46(03)：14-18.

[4]于喆.基桩声波透射法检测三维层析成像技术研究[D].浙江大学,2022.

[5]王球.基于AHP的模糊综合评价体系在基桩声波透射法检测中的应用研究[D].南昌大学,2021.

作者简介：

程楚涵，1989 年 05 月 10 日出生，男，汉族，湖北荆门人，大学学历，助理工程师，从事高速公路建设工作。