桥梁混凝土超声波检测技术在桩基检测中的应用分析

摘要：

      桥梁桩基混凝土采用超声波检测技术检测混凝土的完整性和强度指标，可以为公路桥梁的验收提供科学依据，桥梁桩基施工具有高度的隐蔽性，施工质量缺陷极不容易被发现，质量事故的处理成本较高、技术难度也较大。桥梁桩基检测是桩基施工质量控制的必要环节。以华北地区桥梁桩基施工超声波检测技术为例，通过第三方的检测案例，分析了混凝土超声波检测技术在桥梁桩基检测技术中的应用。

     近年来我国高等级公路桥梁建设速度突飞猛进，桥梁桩基已经成为一种重要的基础结构形式，华北地区桥梁桩基工程由于其特殊的设计构造和地质条件，平原地区桩基多为桩基与土体相互摩擦的摩擦桩，由于工程条件和地质特性的特殊性，受到施工专业技术水平及经验的影响而变得比较复杂，桩基施工中极易形成缩径、空洞、混凝土离析和混凝土强度偏低等质量缺陷，要想准确的测定桩基缺陷的位置和缺陷类别，制定正确的处理措施、评定桩基的质量等级，桥梁桩基检测技术已经成为桥梁检测的重要组成部分。

一、桩基检测技术组成及分类

     桥梁桩基的成桩检测方法按桥梁检测规范有低应变、高应变、静载荷载试验和超声波检测，其中超声波检测是应用较为广泛和有效的检测方法。超声波检测桩基技术是利用超声波在介质中传播质点的弹性振动过程，测试仪器产生的脉冲信号激励发射头，发射探头将脉冲能量转化为机械振动，接收探头再将机械振动转化为电磁振动能量，发射的超声波经过介质水的耦合和放大，从而显示在检测仪的屏幕上，成为可以直观观察和读取的波形曲线数据，通过曲线判断桩身混凝土的均匀性、缺陷性质和缺陷部位。采用超声波检测设备MC-6360型多通道超声基桩检测仪 (图 1) 进行桩基检测，现场连接示意图如（图 2）。

图1

图2

     进行桩基超声波试验分析时，当波形曲线形态完整圆滑、振幅大、主频峰值突出、首波陡峭，第一周期波形没有畸形波，接收波的包络呈现明显的半圆形，一周期的后半周达到较高振幅时，可以判断此灌注桩没有质量缺陷。

二、超声波的检测技术的应用

在日常的桩基超声波检测数据采集和分析时，要着重采用波幅临界值、声速值进行判定，结合波形特征来判定桩身的完整性，特殊情况时要综合PSD值、声速离异系数以及相关资料来判定桩身完整性的类别，超声波检测数据统计分析参数主要有:

1、混凝土声速的平均值 V 均 ;

2、混凝土声速的标准差 Sv ;

3、混凝土声速的变异系数 Cv ;

4、波幅测量的平均值Am ;

5、混凝土的 PSD 值。

《公路工程基桩动测技术规程》 (JTG/TF81—01—2004) 中，根据桩身是否存在缺陷、严重程度和波形特征，将桩身的完整性按以下 4 类进行划分及判定:

Ⅰ类桩: 桩身完整，可正常使用; 各声测剖面每个测点的声速、波幅值均大于临界值，波形正常。

Ⅱ类桩: 桩身基本完整，有轻度缺陷，不影响正常使用; 某一声测剖面个别测点的声速、波幅值略小于临界值，波形基本正常。

Ⅲ类桩: 桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响; 某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值小于临界值，PSD 值变大，波形产生畸变。

Ⅳ类桩: 桩身有严重缺陷，对桩身结构承载力有严重影响; 某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值明显小于临界值，PSD值突变，波形严重畸变。

     某单位路桥检测中心负责检测的XX高速公路X标段 k53+382.6辛庄桥的的超声波检测桩基，桩基设计直径1200mm，设计桩长为41m，采用内部埋设三根声测管的检测方法，声测管组数为 1-2、1-3、2-3三组相互耦合，耦合介质为水，1-1#～1-3# 桩基的完整性检测结果如表 1。

表1

     在桥梁桩基的超声波检测检测过程中，超声波到达桩基混凝土的缺陷临界面时，超声波会发生散射和绕射，使得到达接收换能器的波幅振动明显变化，可以根据放大的换能器信号和声波波幅的变化剧烈程度，判别缺陷的性质及大小。同时超声波通过缺陷部位也会引起传播路径及其相位的变化，影响信号的主频和频谱的形状，造成接收信号的波形畸变，超声波的能量迅速衰减，传播路径发生变化，这时可以结合低应变检测技术进行缺陷桩基检测 (图 3)，将其与超声波检测结果示意图 (图 4) 进行比较，从而准确判断桩基的完整程度，达到无破损桩基检测精确的目的。

图3

图4

     利用超声波分别对完整混凝土和缺陷混凝土进行检测比较，通过超声波的声速、波幅频谱图差异的比较，充分利用缺陷混凝土与超声波声学参数的相关关系，可以综合判定混凝土的内部缺陷情况，利用超声波分析PSD与声速波幅结合的综合测定，可以对桩身混凝土进行判断，超声波检测在桥梁桩基工程施工的质量检测中能够取得满意的结果。

三、超声波检测桩基的注意事项

(1) 超声波声测管埋设时必须保证各声测管之间相互平行对称，探头可以在声测管内同步自由的伸缩，桥梁声测管埋设根数与桩基的直径密切相关，公路桥梁工程中桩径小于800mm时声测管一般为2根，桩径大于1600mm时声测管一般不少于 4 根，桩径在800mm ~1600mm时声测管宜采用 3 根，采用仪器检测时每 2 根声测管为一组分别进行检测。

(2) 桩基应该在成桩 28 d 后进行超声波检测，桩头部位先开挖和破除桩头，表面磨平后再进行检测，必要时在表面铺水泥砂浆整平检测面，破桩头要注意保护成桩时埋设的声测管，注意声测管内不得掉进混凝土残渣等杂物，不得灌入泥浆而影响测试探头顺利放入桩底，必要时应采取相应的技术处理措施。

(3) 声测管应与钢筋笼的主筋牢固的绑扎在一起，禁止采用焊接形式与主筋焊接在一起，沿桩长每隔不超过3 m 采用铅丝绑扎一道，声测管口接头处与主钢筋点焊连接，声测管采用铸铁管制作，铸铁管壁厚满足设计和规范要求，要特别注意铸铁管接头处的焊接质量，保证声测管的内径有足够空间，换能器能够在声测管内部自由伸缩。

(4) 超声波检测仪器由数据采集系统、成对换能器组成，检测仪器符合鉴定有效期内的技术性能要求，检测前进行严格的律定试验，波形清晰、声时准确，换能器的精度要符合成桩的设计要求，尽量采用重量相对较大的换能器，换能器要能够同时收放、高度始终保持一致。

(5) 超声波的频谱分析通过各频率的分量幅度解析，找出幅度最大的主频率，在频谱分析时截取不同的波列长度将得到不同的频谱曲线，在频谱分析中要考虑分辨率和漏波对检测精度的影响，同时考虑叠加波对检测的不利影响。

(6) 检测中要获得一次波频谱特性，桥梁桩基检测要合理选取采样的频率，使信号的频谱分析有足够的精度，最大限度的降低时域精度和频域精度的影响范围。

四、超声波桩基检测技术的局限性

超声波检测桩身部位的混凝土缺陷一般都能够顺利测出，但是桩身混凝土检测只是针对两根管间的混凝土，而对于桩基的扩径等则不能有效的测出，因此超声波检测技术是具有一定局限性的，超声波只能检测桩基部分的混凝土质量，对于嵌岩桩或者支撑桩，还应该配合低应变反射法检测桩端的支撑情况，以确保桩基保承载力满足设计和规范要求。

五、结 语

超声波桩基检测技术具有检测设备简单、操作快捷方便的特点，超声波测试仪的穿透能力较强，特别适用于对桩基混凝土的检测和验收，超声波技术可以适用于超大尺寸混凝土灌注桩的检测，也可以检测桩基混凝土内部的质量缺陷和强度情况，超声波测试时需要操作人员具有一定的工作经验，检测精度的高低与试验人员的经验判断密切相关，超声波检测技术能够得到某些测线上的混凝土质量信息，利用超声波数据进行统计计算分析，其成像结果是精确可控的。