【摘 要】声波透射法是一种准确高效的检测预埋管桩基完整性的方法。文章结合工程实例，对桩基进行综合分析，经钻孔取芯验证，超声波透射法的检测结果准确可靠。因此，声波透射法是控制基桩安全质量不可缺少的关键检测手段。
【关键词】声波透射法 灌注桩 检测
1 引言
桩基工程是地下隐蔽工程，施工难度大，工序较多。一般在地下或水下进行施工，施工过程很难进行监测。由于受水渗流、流砂层、淤泥层等不良地质影响，易引起塌孔和缩孔等缺陷；在混凝土灌注过程中，如出现停顿、拨管过快或导管拔空等原因，易产生离析、夹泥、断桩、缩径、疏松不密实等缺陷。这些缺陷将直接导致桩基的不完整。因此，对桩基进行检测，保证桩基的质量，是桥梁安全的基础。
2 检测原理
声波是一种机械波，机械振动和波动是超声测试的物理基础。声波透射法是在桩内预埋纵向声测管道，将声波脉冲发射和接收探头置于声测管中，管中充满清水作耦合剂，由仪器发出周期性电脉冲通过发射探头发射并穿透混凝土，被接收探头接收并转换成电信号。当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，当波到达该界面时，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射。这样根据波的初至时间(t)和首波幅值(dB)、频率(f)变化及波形畸变程度等特征，就可判别测区范围内混凝土的质量。
3 检测方法
发射与接收声波换能器置于相同标高，即平测法(图1a)。为能检测出水平方向裂缝缺陷，也可用斜测法，即发射与接收声波换能器保持固定高差同步升降(图1b)，但其水平侧角不宜过大，因声波换能器存在半扩散角，水平侧角越大则超声波能量越小。在桩身质量可疑的测点周围加密测点、斜测、扇形扫测(图1c)进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，宜同时显示频谱曲线及主频值。每两根声测管组成一对检测面，如三根声测管组成AB、BC、CA三对检测剖面。
图1 平测、斜测和扇形扫测示意图4 桩身完整性判断
4.1各声学参数对判定桩基的作用
4.1.1声速
声速测试值较稳定、重复性较好，受非缺陷因素影响较小，在同一根桩的不同剖面以及同一工程混凝土配合比相同的不同桩间可相互比较，是判定混凝土质量的主要参数，但声速对缺陷的敏感度不及波幅。
4.1.2接收波的波幅
接收波波幅即首波波幅，第一个波前半周期的幅值。波幅对缺陷很敏感，是判断混凝土质量的另一个重要参数。但波幅的测试受仪器设备性能、换能器耦合状态以及测距等诸多因素影响，目前只能作为同条件下的相对比较。
4.1.3接收波的主频
接收波主频变化能反映声波在传播过程中的衰减状况。声波脉冲信号是复频波，在传播过程中，其高频成分衰减(被吸收、散射等)大，主频逐渐向低频方向漂移。因此，在不同剖面不同桩之间的可比性不大，其测试值也没有声速稳定，因此主频指标只用于辅助判定混凝土质量。
4.1.4接收波的波形
接收波形也是反映混凝土质量的一个重要信息，它对混凝土内部的缺陷也很敏感。检测时，除逐点读取首波声时、波幅外，还应注意观察整个接收波形态的变化，作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要参考信息。
4.2声学参数的计算
4.2.1声时判据：
以声时平均值μt与2倍声时标准差δt之和作为判断有无缺陷的临界值St，即：
St=μt + 2δt ；
式中：n—测点数；
ti—第i个测点的声时值(μs)；
μt—平均声时值(μs)；
δt—声时标准差。
灌注桩缺陷区的夹杂物质(泥、砂等)声速比混凝土低，因此超声波穿过或绕过缺陷时，声时值增大，若ti > St，则桩在此深度可能存在缺陷。由于两声测管之间的距离是固定的，可以求出波速，因此波速曲线也可判断桩基质量。
4.2.2波幅判据
当波束穿过缺陷区时，部分声能被缺陷内含物质吸收，部分声能被缺陷不规则的表面反射和散射，到达接收探头的声能明显减小，反映为波幅降低。实践证明，波幅对缺陷的反映非常灵敏，是判断桩基有无缺陷的重要参数。规范采用接收信号能量的一半作为判断缺陷的临界值Qd：
Qd=μq– 6式中：μq为波幅平均值；qi为第i个测点的波幅；n为测点数；Qd为判断桩身有无缺陷的临界值。若qi 4.2.3主频判据 主频值的测量方法：一般均采用周期法，即频率和周期的倒数关系，用声波仪测量出接收波的周期，进而计算出接收波的主频值。声波接收信号的主频漂移越大，该测点混凝土质量就越差。接受信号的主频也受测试系统状态、偶合状态、测距等非缺陷因素影响，起波动特征与正态分布也存在偏差，测试值没有声速稳定，对缺陷的敏感性也不及波幅，可作桩身缺陷的辅助判据。 4.2.4PSD判据 Ki=(ti-ti-1)2∕(zi- zi-1) t=ti-ti-1 式中：Ki一第i测点的PSD判据； ti、ti-1一分别为第i测点和第i-1测点的声时； zi、zi-1一分别为第i测点和第i-1测点深度。 根据实测声时计算某一剖面各测点的PSD判据，绘制“判据值一深度”曲线，然后根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况进行判定。采用PSD法突出了声时的变化，对缺陷较敏感，同时，也减小了因声测管不平行或混凝土不均匀等非缺陷因素造成的测试误差对数据分析判断的影响。 4.2.5桩身混凝土缺陷的综合判定 在灌注桩的声波透射法检测中，目的是利用所检测的混凝土声学参数去发现桩身混凝土的缺陷、评价桩身混凝土质量从而判定桩的完整性类别。用于判断桩身混凝土缺陷的多个声学参数――声速、PSD判据、波幅、主频、实测波形，它们各有特点，但均有不足。因此既不能唯“声速论”，也不能同等对待各种判据。 相对于其他判据，声速值是最稳定的。而且声速值有明确的物理意义的量，是综合判定的主要参数；波幅虽是个相对比较量，本身也无明确的物理意义，测试值也没有声速稳定，但它对桩身混凝土缺陷很敏感，是进行综合判定的另一重要参数。所以，以声速、波幅判据为主，其他判据为辅的综合判定法是科学的。 综合分析是贯穿整个检测过程的方法。检测过程中应先用平测法进行全面普查，然后以综合分析确定异常点，再加密测点。用斜测法和扇形扫测法确定缺陷的分布范围，最后按规范（JGJ106-2003）表3.5.1的规定进行综合判定其完整性类别： Ⅰ类桩：各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常。 Ⅱ类桩：某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常，无声速低于低限值异常。 Ⅲ类桩：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常，两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低于低限值异常。 Ⅳ类桩：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常；桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。 5 工程实例 以某大桥1#桩基为例，该桩基采用人工挖孔，桩径2.10m，桩长15.0m，混凝土强度为C25，预埋4根声测管，用中科智创生产的仪器RSM-SY5检测。 首先，看各剖面的“声速一深度”曲线。该桩在AB、AC、AD、BC、BD、CD剖面的3.0m～3.25m这个区域出现突变，并且超过了声速判据的临界线。仅此可疑在该桩的此区域存在缺陷；另外，逐一看每个测点的声速值得知，除3.0m～3.25m这个区域外，4.5m～13.5m区域内，声速值低于低限值。但不能“唯声速论”，还可从综合分析法中判定桩基完整性的另一主要因素“波幅”下手，来看该桩是否存在缺陷；从“波幅一深度”曲线图中，同样可见所有剖面均在3.0m左右这个区域出现突变，且超过波幅判据临界线。由此，对3m处有缺陷这个结论可进一步肯定。此外，对3m以下的桩身是否有缺陷提出疑问。从各剖面的“PSD判据值一深度”曲线看，每个剖面的3m左右区域处出现突变，这也和“声速一深度”、“波幅一深度”曲线图一致。因为PSD值的变化对缺陷的边缘比较敏感，对缓变型的缺陷不敏感。所以，应该注意从3m左右往下所有测点。从该桩波列图看出从3m一13.5m接收到的信号都有衰减。本区域内波列已经发生严重畸变。如图 根据以上参数，判断该桩从3m—13.5m严重离析，根据《规范》（JGJ106-2003）表3•5•1中的描述，可判该桩为Ⅳ类桩。 6 结语 声波透射法能高效准确地对预埋声测管的桥墩桩基桩身完整性进行检测，判定桩身缺陷的程度并确定其位置。声波透射法检测结果准确可靠，不受桩长桩径限制，无盲区，声测管埋到什么部位就可检测什么部位，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度，无须桩顶露出地面即可检测，近年在桩基质量检测中得到了广泛的应用。 (作者单位：贵州省交通建设咨询监理有限公司)