声波透射法检测钻孔灌注桩基桩完整性检测技术初探

探

管钧（gj@zbl.cn）

一、概述

1、前言

混凝土灌注桩是桩基础中的主要形式，由于其成桩质量受地质条件、成桩工艺、机械设备、施工人员、管理水平等诸多因素的影响，较易产生夹泥、断裂、缩颈、混凝土离析、桩底沉渣较厚及桩顶混凝土密实度较差等质量缺陷，危及主体结构的正常使用与安全，甚至引发工程质量事故，加上是隐蔽工程，因此加强对桩基础质量的现场检测十分必要。为此，近年来国家先后出台了《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）和《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01-2004)，进一步明确要求、规范基桩工程的现场质量检测工作。

基桩完整性的检测方法主要有：钻芯法、高应变动测法、低应变动测法、声波透射法，与其他方法相比，声波透射法有其特点：

① 检测全面、细致，检测范围可覆盖整个桩长的各个断面，无检测“盲区”；

② 检测结果准确可靠，全桩长的断面扫描检测，加上短距离时声波对较小范围的缺陷也较为敏感，可以较为准确测定各缺陷在深度方向的准确位置和范围、径向的范围，便于分析及对缺陷的处理； ③ 不受桩长、桩径的限制，也不受场地的限制。

④ 检测较为快捷、方便。因此该方法已成为大直径、长桩长的混凝土灌注桩完整性检测的重要手段，《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01-2004)也专门规定“对重要工程的钻孔灌注桩，采用超声波透射法检测的桩数不应少于50％”。 2、检测原理

如图1所示，首先在被测桩内预埋两根或两根以上竖向相互平行的声测管作为检测通道，管中注满清水作为耦合剂，将超声脉冲发射换能器与接收换能器置于声测管中，由超声仪激励发射换能器产生超声脉冲，穿过桩体混凝土，并经接收换能器，由仪器接收并显示接收的超声波的波形，判读出超声波穿过混凝土后的首波声时、波幅以及接收波主频等声参数，通过桩身缺陷引起声参数或波形的变化，来检测桩身是否存在缺陷。

图1

关于声波透射法检测基桩完整性的现场测试方法及常规的数据处理，已在相关规范及其它书籍中有较为详尽的阐述，不再详述，仅结合笔者近年来在工程中应用超声脉冲检测技术及非金属超声检测分析仪的研制经历和体会，对声波透射法的检测、缺陷判定及检测现场常见的问题，进行一些总结：

二、声波透射法的检测及缺陷判定

1、对于缺陷程度及范围的判定需要结合平测、斜测或扇形测试的多种测试方法综合测定

换能器同步平测测试速度快、效率高，可作为是否存在缺陷的初步判断依据；但仅依据平测的数据进行完整性判定，其准确性降低，因此尤其是对于缺陷范围及其严重程度进行判定时，应至少结合斜测、扇形测试中的一种方法。例如：某工程2l－1#基桩为采用钻孔、反循环工艺施工的灌注混凝土摩擦桩，设计桩径1.5m、设计桩长49.5m、预埋4根声测管，采用声波透射法平测法测试、测点间距0.25m，其中1-2、1-3、1-4剖面在13.2～14米处同时出现声参量异常（如图2所示），异常范围的波速比平均波速下降15%、幅度比平均幅度下降30dB，而其他剖面在此位置无明显异常，初步判断该桩在13～14米处存在异常（缺陷），且缺陷区在1号声测管所在的方位，但无法判定缺陷范围，进而将其归入Ⅱ类还是Ⅲ类桩。为确定缺陷的严重程度和范围，在1-2、1-3、1-4剖面，从9～19m的范围内，分别作收、发换能器约45o倾斜的双向斜测，测点间距为10cm，斜测结果如图3所示，通过每一剖面、每一方向斜测的数据，确定其斜测的各个声参量异常的测线，各剖面的异常测线的包络范围如图上阴影部分所示，可以看出1-3、1-2、1-4剖面的径向缺陷尺寸依次增大，且1-3、1-2剖面未超过1/2测距，因此该缺陷是靠近1号声测管方向的缩径类缺陷；从缺陷范围上看纵向尺寸在0.8m左右、径向尺寸小于桩径的四分之一，从缺陷区声参量及波形上看声参量幅度不太大、且波形基本完整，因此将此缺陷判定为轻微缺陷，该桩判为Ⅱ类桩。

图2 图3

2、应正确理解并处理相关规范中关于桩身完整性的判定

基桩检测的相关规范中，根据桩身是否存在缺陷及存在缺陷的严重程度，将桩的完整性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四个类别；并依据各检测剖面的声学参数异常点的分布情况及异常点的偏离程度，决定被测桩的完整性类别；对实际的检测数据，采用概率法确定声速临界值来评判声速是否异常，采用平均幅度减去6dB作为幅度临界值来评判幅度是否异常。

但由于混凝土是集结型的复合材料，多相复合体系，分布复杂界面（骨料、气泡、各种缺陷），因此其检测的声参量数据波动较大；加上灌注桩的混凝土需要自密实、地质条件以及成桩工艺复杂等情况，其声参量的波动性就更大了，因此在实际测试的过程中完全不出现异常测点的可能性较小，因此不能机械地理解并执行规范中桩身完整性的判定标准（规范对声参量异常判断均采用“可判断”），否则工程上很难有Ⅰ类桩，也不符合桩的完整性分类的定义。因此上述理论异常点只是可能的缺陷点，应根据以下五个方面进行综合判定： ① 异常点的实测声速与正常混凝土声速的偏离程度； ② 异常点的实测幅度与同一剖面内正常混凝土幅度的偏离程度； ③ 异常点的波形与正常混凝土的波形相比的畸变程度； ④ 异常点的分布范围及其他剖面异常点的分布情况；

⑤ 桩的类型（摩擦型或端承型）、地质情况及成桩工艺，桩的类型及地质情况决定了桩身混凝土的压应力及弯矩大小随深度的变化规律，因此相同大小及程度的缺陷在桩身不同深度对该桩是否达到设计要求的影响程度差别较大，应适当加以区分。 3、 声学参量与缺陷性质的关系

混凝土内部存在缺陷必然会引起声参量的变化或波形畸变，但目前并未建立声参量的变化或波形畸变与缺陷性质之间的良好对应关系，仅结合结构和桩基础混凝土检测或试验的工作给出如下体会，供大家参考：

① 对于因混凝土离析造成的骨料堆积、砂浆少的缺陷，由于骨料声速高于砂浆，因此该缺陷处的声速基本不会比正常混凝土低甚至偏高，但声波经过的界面明显增多，导致幅度下降。相反对于骨料少而砂浆多的低强区，其波速偏低，但幅度基本不变甚至偏高。

② 对于因坍塌形成的缩径、夹泥（砂）缺陷，导致该处的声速、幅度较正常混凝土均有明显的下降，因缺陷介质的声速低于混凝土、衰减系数高于混凝土，可通过斜测或扇测确定缺陷的径向尺寸范围及位置，确定其缩径、夹泥（砂）的位置及范围。

③ 桩底一段深度范围内的波速和幅度的明显下降表明桩底存在一定厚度的沉渣，因清孔未彻底遗留的成孔过程中的地层松散体，成分复杂、波速低、衰减大。

④ 桩头部分波速和幅度明显、缓慢下降一般表明该范围内浮浆过多、强度较低，因灌注桩浇筑工艺会导致在浇筑过程中上部骨料较少、浮浆及气泡较多，若浇筑到桩头部位时上述浮浆未排除会造成波速、幅度及强度降低。

⑤ 若导管提升不当，或施工故障导致停留时间过长，拔管清理不净、二次浇筑，形成断桩，造成声速和幅度的急剧下降、波形严重畸变或无接收波形，且所有剖面的大致相同的深度范围均存在上述异常情况。

对于缺陷的性质除根据声参量的变化情况外，还必须结合地勘报告、施工工艺、甚至施工记录（参考）综合分析，进行判断。

三、检测现场常见问题或故障的判断及处理

1、检测过程中接收信号突然消失

有两种原因可产生该类现象，一是声测管内无水；二是设备系统故障。首先应检查是声测管内否有水，可在采样状态下，迅速往声测管注水（以防声测管破裂造成的水大量外流），至现象消除，否则，将换能器提出声测管，平行靠近（5cm左右）放在空气中，采样、观察是否有接收波形，无接收波形，则设备系统故障。

2、 判断设备系统的故障部位

将故障的设备换上平面换能器，将平面换能器的辐射面平行相对，相距5cm左右，进行采样，如波形正常，证明超声仪正常，仅仅是径向换能器故障。若判断换能器故障时，接上径向换能器，进行采样，如发射换能器发出响声、无接收波形，则接收换能器故障；如发射换能器无响声，仅将发射换能器更换成平面换能器，将平面换能器的辐射面对准径向换能器的辐射体（中间部位），进行采样，如有波形，则接收换能器完好、发射换能器故障，否则，收、发径向换能器均有故障。 3、发射正常、接收时好时坏

换能器刚下水测试时波形正常，一会儿波形逐渐异常，甚至无接收波形，提出声测管后波形正常，或提出声测管、待换能器干燥后波形正常。该现象是由于换能器信号线破损（漏水）、水密性丧失、遇水压大时渗透到换能器主体造成，换能器故障，修复较为困难。 4、桩头最后一测点声速、幅度急剧下降

一些桩在桩头部位的最后一个或几个测点的声参量急剧下降，而桩头部位混凝土表现良好。该现象可能是剔除桩头（使用机械设备）时，引起声测管与混凝土脱离（产生间隙）或者混凝土局部破损（产生裂隙）而造成，可在声测管外壁或桩头混凝土浇清水，该现象好转。 5、波形反向及处理

在测试的过程出现波形首波反向的情况，如图4所示，其中图4下为正常波形（首波向下）、图4上为反向波形（首波向上）。从反向波形中可以看出，若以上跳波作为首波，则声速正常、但幅度偏小；若以下跳波作为首波，则幅度正常、声速偏小，因此应尽量避免上述情况的发生。上述情况多出现在换能器运动过程中进行采样并存储的测试中（自动测桩），造成上述现象的理论机理不十分清楚，可能是换能器运动过程中，辐射体的部分与声测管接触，造成与正常状态的声波传播过程中的介质界面的状况发生变化所致，因此通过使用扶正器可以大大减小该现象产生的几率，因此，建议在换能器运动的过程中进行采样、存储的测试状态下，必须保证换能器的扶正器可以正常工作。

图4

四、小结

本文结合作者的实际工作，对声波透射法检测基桩完整性的检测及缺陷判定、常见问题及设备故障的处理进行总结，旨在为从事该项工作的同仁提供参考，可能不尽全面、准确，欢迎同仁指正并进一步交流。