软土桩基超声波透射无损检测技术

袁金兴, 陈文霜, 陆敬辉, 张 烨

（1.苏州中正工程检测有限公司，江苏 苏州 215129；2.苏州科技大学，江苏 苏州 215011）

20 世纪70 年代，声波透射法被应用于桩基完整性检验，至今技术已相对成熟。目前，透射法大量使用的数字式声波仪有很强的数据处理、分析功能,几乎所有的数学运算都是由计算机来完成的[1]。但是单一的透射法一般仅适用符合“一维均质杆件”假定的混凝土桩,不能完全适用于组合桩、异形桩等，存在一定的局限性；若结合钻孔取芯法对检测结果进行复判，则会使桩基检测的完整性和准确性大大提高，从而能够更大程度保证工程的安全。本文在已有研究基础上，结合两个工程实例，利用透射法对桩基完整性进行评价，同时结合钻孔取芯验加强验证，提出解决桩基缺陷措施。

1 超声波透射法的工作原理

费马定律表明：声波在介质内从一点向另一点，一定会沿着最佳、最省时的路径传播[2]。声波在介质中传播，其能量和传播规律会随着介质的不同而有所不同[3]。将混凝土视为内部均匀的复合体，作为弹性体介质，声波在混凝土中的传播路径符合弹性波在介质中的传播规律。桩基作为一种由水泥、空气、水、砂石等混合而成的材料，在声波通过时可能会有孔隙、夹泥夹砂、裂缝、蜂窝等，对声波的传播产生干扰和阻碍，从而影响声波的声速、波形、波幅。当混凝土制作的构件，如桩基存在缺陷时，超声波传递到这里的传播情况就发生变化。超声波往往在到达桩基缺陷处产生反射、散射与绕射[4]。例如，当声波遇到蜂窝、空洞时，由于空气和水的声阻抗小于土的声阻抗，缺陷面会发生散射或反射，从而波频减小、波幅降低[5]；当桩基存在裂缝、离析等问题时，声波将会绕开障碍，传播路径相对变得复杂、冗长，以此可以推断出声速降低；除此之外，为了避开缺陷位置，声波在传播路径上与直线传播路径不同，在各种缺陷问题的干扰下，波形同样会有所差异。

2 超声波透射法检测桩基的优缺点

2.1 优点

1）声测管埋置在桩底，可以尽可能全面详细地对桩基完整性进行检测。

2）桩基的使用性能及受力性能可受到最大程度保护。

3）现场检测工序较为简单、便捷，作业时间较短，可以快速地判断桩基缺陷大小、位置及完整性，不会阻碍施工进度。

2.2 缺点

1）声测管价格较高，检测费用也相对较高，增加了成本。

2）声测管使用年限有限，当存在铁锈时，会对检测结果造成干扰。

3）正常水平检测时，可以确定竖向缺陷的位置，但是要通过加密斜测才能更准确地确定缺陷范围，而且后期处理也较为复杂[6]。针对其中一些问题，一些学者提出两边和单边剔除的数理统计方法、以声测线代替测点等方法来改善该项技术[7]。

3 透射法检测流程及数据分析

3.1 检测流程

1）清理平整检测场地，做好检测前的准备工作。

2）检测开始可先设检测通道，即将多根竖向相互平行的声测管埋设至被测桩内，随后将清水或黄油作为耦合剂注入管内，注满为止。声测管布置见表1。

表1 声测管布置

3）通过超声检测仪进行超声脉冲发射，检测中可根据发射、接收换能器的3 种不同位置，分为平测、交叉斜测和扇形扫测3种测量方式[8]。

4）通过仪器内的数据处理软件综合分析、处理接收到的所有信息，以判断基桩是否完整、是否存在缺陷等[9]。

采用超声波透射法对桩基完整性进行检测时，从桩底开始每隔一定高度选取一个剖面，发射与接收换能器累积高差不得超过2 cm。检测时，若察觉声波参数异常，应引起注意，采用测距为10～20 cm 加密平测或斜测或扇形扫测的方法，检测出缺陷所在的详细部位、性质及其大小[10]。见图1。

图1 声波透射法测试

3.2 检测方法

利用功率谱密度（PSD）判别、声速判断、波幅判断3种方法分析所监测桩基是否存在缺陷并判断缺陷位置。将检测结果传入数据分析系统，可得到相关声学参数变化情况。

3.2.1 声速判据

将同一检测剖面上各测点的声速值从大到小排列,即[10～11]

式中：νi为按序排列后的第i 个声速量值；n 为检测剖面测点数；k 为从0 开始逐一去掉式（1）νi序列尾部最小数值的数据个数。

对从0开始逐一去掉νi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括νn-k在内的余下数据ν1- νn-k按下式进行统计计算[10～11]

式中：λ可查表2得到。

表2 λ数值

将νn-k与异常判断值ν0进行比较，当νn-k＜ν0时，νn-k及其以后的数据均为异常，去掉νn-k及其以后的异常数据，再用ν1- νn-k重复式（2）～（4）的计算步骤，直到余下的数据全部满足

此时，ν0为声速异常判断临界值νc。

声速异常时的临界值判据为

主要决定判断桩体质量的因素是波速，某深度桩身处波速有较大幅度的变化且比通过概率法计算出的波速临界值还要低时，在材料密实度上能够对桩体对应的混凝土进行一个大致的判定[12]。

3.2.2 波幅判据

在缺陷处，波幅异常，一般比较小。通常用波幅的平均值减去6 dB作为临界值。

波幅异常时的临界值判据按下式计算[11]

式中：Am为波幅平均值，dB；n为检测剖面测点数。

当式（8）满足时，波幅可判定为异常，桩基存在缺陷并可判别桩基缺陷类型[13]。

3.2.3 PSD判据

PSD 判据以“声时-深度曲线”相邻两点的斜率与两点的差值作为缺陷判据。根据PSD 值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判定。

式中：tci、tci-1分别为第i、i-1测点声时，μs；Zi、Zi-1分别为第i、i-1测点深度，m。

由于PSD 与两声时差平方成正比，PSD 判据相比于声速判断对桩基缺陷更加敏感，不但能定性，还可以定量地判断缺陷的大小，同时排除了声测管不平行或混凝土整体不够均匀因素带来的变化而造成的漏判[14]。

3.3 桩身完整性判定

桩身完整性类别应结合对桩身质量可疑点加密测试后确定的缺陷范围，按表3 所描述的特征进行判定[6，15]。

表3 桩身完整性判定

4 超声波透射检测桩基完整性实例

针对钻孔灌注桩的成桩缺陷，如沉渣、低强度区、桩身夹泥、桩身离析、桩头浮浆与断桩等问题，超声波透射检测法十分有效。通过一定测距的平测、斜测与扇形扫测下的声速、波幅、PSD 值可大致判断缺陷位置、范围及类型，在某些情况下需要辅以钻孔取芯的方式对缺陷类型加以定性。以下选择2种较为典型的钻孔灌注桩缺陷实例，探析超声波透射技术的实用性。

4.1 实例1

某高层建筑1#桩长29.5 m、桩径1 200 mm，采用超声波透射检测，选择3 根声测管每隔1 m 深度测量一次。检测数据表明桩长23 m 以上及桩长26 m 以下各检测深度对应的1-2、1-3、2-3 剖面的波速、声时与波幅均在小范围里波动，然而23～26 m 深度范围内各检测截面波速与波幅均显著变动。见图2。

图2 1#桩声学参数曲线

1#桩多截面检测均存在缺陷，符合离析、缩颈等缺陷特征，钻孔取芯发现，此段桩体泥浆胶凝效果较差，表面有较大孔，骨料松散，桩体灌注成型时可能发生护壁剥落坍塌造成混凝土中夹泥，可能清孔时水未完全排出或汛期浇筑导致土质含水率高而产生离析。该缺陷严重影响桩体稳定性与承载能力，判定为IV类桩。

4.2 实例2

某大桥1-1#桩基长8.3 m、桩径1 200 mm，钻孔灌注桩，预埋3根声测管并每隔500 mm逐点检测。1-2、1-3、2-3 剖面管距均为750 mm。检测结果表明，3 个检测剖面声速、波幅与PSD值在6.8、7.8 m深度处均产生畸变，其中PSD 值远高于常规值，6.8 m 深度处声速与波幅处于正常范围内，而1-2、2-3 剖面PSD 值显著畸变，由此可见在6.8 m 深的2#声测管附近有局部缺陷，7.8 m深度处1-2、2-3剖面的声速与波幅低于超声波常规传导值且1-3、2-3 剖面PSD 值发生畸变，所以在7.8 m 深度有大范围缺陷。根据6.8 m 深度处缺陷判定该截面处离析或缩颈，根据7.8 m 深度处缺陷判定该截面为沉渣缺陷，均建议采用钻孔压浆方法填充缺陷。1-1#桩身部分截面存在畸变，影响桩体稳定性，判定为III类桩。见图3。

图3 1-1#桩声学参数曲线

5 结论

声波透射法作为一项较为成熟的技术，具有“高精度、高辨别率、高效率”的优点，在桩基完整性检测中是一个十分行之有效的方法。

在检测过程中，将波速对比、波幅分析、PSD 值判断统一总结，综合分析出最终结果，以此确定缺陷的类型、位置和大小，可以对桩基完整性进行合理判断。

由于检测过程中声测管、收发换能器等多种因素的细微影响，很容易造成误差，因此在必要的时候，需要重复多次检测或采用钻芯法进行复判。与此同时，透射法检测桩基完整性仍然存在着一些程度的不足，还有待继续加强与完善。