脉冲声波在基桩质量检测中的应用

脉冲声波在基桩质量检测中的应用
本文依據基桩脉冲声波检测的基本原理，结合广西某铁路基桩检测实例阐述脉冲声波检测基桩质量的判定标准的应用效果，初步分析造成缺陷的原因，供同行参考、借鉴。

标签：脉冲声波灌注桩质量检测完整性
近年来，随着国家经济的快速发展，全国各地不断地建设一些大型建筑物，钻孔灌注桩由于其抗震好、沉降小、承载力高等优点被应用在各种建筑物基础上，桩基础的质量直接影响上部建筑安全。

桩基础作为隐蔽工程，控制和发现问题比较难，因此桩基础质量检测显得尤其重要。

基桩质量主要体现在桩身完整性和地基土对基桩的承载力两部分，脉冲声波法不但可以检测桩身完整性，还可以测出桩底沉渣的厚度，为地基土对桩能否发挥承载力提供依据。

利用脉冲声波在钻孔灌注桩检测，用定性和定量指标来科学评价基桩质量，发现基桩缺陷，为桩基消除安全隐患提供依据。

1桩基声波透射法检测的基本原理
脉冲声波法检测基桩质量是在基桩中预埋两根以上声测管，声测管一般固定在钢筋笼的内侧并保持平行，下口封死，测试时管内注满耦合剂（如清水），声波发射和接收探头分别放入两声测管内，两探头置于同一水平面或保持一定高差，两探头沿声测管同步提升或下降，通过测量接收脉冲声波在桩身混凝土中的传播声时、首波幅度以及接收信号频率等声学参数来分析桩身质量，当传播路径上的混凝土有质量变化时声学参数将发生变化。

如存在混凝土缺陷时，超声脉冲信号通过缺陷时会产生绕射等，传播的声速比正常混凝土的传播声速小，声时变大，并在缺陷界面上将产生反射，使接收的能量显著衰减，波幅和频率明显降低，由于传播路径多样化，接收信号的波形会叠加畸变。

综合接收信号的声速、波幅和频率等参数的变化，可以判断和评定混凝土质量情况[1]。

2检测方法
脉冲声测基桩质量的整个过程主要是声波的发射、传播、接收和实测信号的分析处理等组成。

检测中声测管的埋设数量按表1要求，为了保证探头在管内自由上下移动，内径宜为50～60mm，两管连接处内侧应平滑过渡，管口高出桩顶标高10cm以上，且各管口高度宜一致。

声测管沿桩截面外侧对称分布，测管编号按北向或大里程方向顺时针依次编号。

3检测数据分析处理与判据[3]
3.1声速临界值法
把同一剖面的声时值从大到小排序后，按下式计算：
式中n ——测点数；k ——从零开始去掉的数据个数；Vm ——（n-k）个数据的平均值；Sx ——（n-k）个数据的标准差；λ——与（n-k）相对应的系数，V0 ——异常判断值。

当参与统计声速有≤V0 数据，则去掉≤V0 的数据，重新按上式计算，直到剩余的全部数据均大于V0 时，V0 作为异常判断临界值VC，所有数据中≤VC 的数据判定为异常。

3.2声速低限值法
当声速值普通偏低且离散性很小时，应用同条件混凝土试样的声速与抗压强度对比试验结果，结合地区实际经验确定声速低限值Vl来判定，当数据声速<Vl 时，则判定该数据异常。

3.3波幅异常法
波幅临界值按下式计算：
式中Am ——波幅平均值；Ai——第i个数据波幅；n——检测剖面测点。

当测点数据的波幅小于Am-6时，测该测点判定为异常。

3.4斜率法的值法
值计算公式如下：
式中ti——第i测点声时；ti-1——第i-1测点声时；Zi ——第i测点深度；Zi-1 ——第i-1测点深度。

根据某深度的值突变，综合波幅变化，进行异常点判定。

4基桩完整性判定标准见表2
5工程检测实例
广西某铁路桥梁工程，基础采用冲钻孔灌注桩，桩径采用（φ）1000～2500mm，桩身混凝土强度等级为C25～C40，桩长（L）在6～70m，持力层为弱风化岩。

根据设计的要求，部分的基桩虽然桩长≤40m且桩径（φ）≤2000mm，但考虑到连续梁桩基础的重要性，为提高检测精度也采用脉冲声波法检测。

该工程检测仪器为北京康科端公司生产非金属超声波检测分析仪系统，型号为NM-4A，该主机为具有存贮数据功能的数字式仪器，现场检测参数设置如下：①发射电压1000V；②采样周期0.80μs；③粗测测点间距0.20mm；④桩顶高程
设为0.0米；⑤清水作耦合剂。

以下为脉冲声波在该工程检测应用的实例
5.1实例A：某铁路桥梁22#基桩脉冲声波检测图见图1，该基桩桩径（φ）2000mm，桩长（L）70.0m，桩端持力层为弱风化页岩，声测管为壁厚3mm的无缝钢管。

检测波形反映该波形态正常，声速和波幅均无异常、PSD 值无异常突变，根据判定标准该桩评定为Ⅰ类桩。

5.2实例B：某铁路桥梁28-3#基桩脉冲声波检测图见图2，该基桩桩径（φ）2000mm，桩长（L ）17.0m，桩端持力层为弱风化灰岩，声测管为壁厚3mm的无缝钢管。

波形检测反映该波形从桩顶下13.80m开始至桩底声时变大，声速严重偏低，波幅变化大，大部分波速只有1700m/s，PSD值在13.80m米处异常突变，由于水中声速约为1500m/s，所以推定13.80m以下基本为泥水无混凝土，根据判定标准该桩评定为Ⅳ类桩。

后经钻芯法验证，当钻杆钻至约13.80米处钻杆突然下降，一股黄泥浆喷出钻孔。

其原因可能是灌注混凝土时导管离桩底较大，把底部的泥浆密封在桩底，未能返出桩孔造成。

5.3实例C：某铁路桥梁28-5#基桩脉冲声波检测图见图3，该基桩桩径（φ）2000mm，桩长（L）14.0m，桩端持力层为弱风化灰岩，声测管为壁厚3mm的无缝钢管。

波形检测反映该波形在1-2和2-3两个检测剖面从桩顶下10.40～10.80m声时变大，声速偏低，波幅变小，异常处的最低波速只有3700m/s，PSD 值此处异常突变，判定此段桩身混凝土有缺陷，根据判定标准该桩评定为Ⅲ类桩。

后经靠近2#声测管附近钻芯法验证，桩顶下10.45～10.70m混凝土芯样离析，部分骨料没水泥粘接。

其原因可能是灌注混凝土时局部导管拔管太快等造成混凝土离析。

5.4实例D：某铁路桥梁28-7#基桩脉冲声波检测图见图4，该基桩桩径（φ）2000mm，桩（L）17.0m，桩端持力层为弱风化灰岩，声测管为壁厚3mm的无缝钢管。

波形检测反映该波形在三个检测剖面从桩顶下5.80～
6.80m声时变大，声速严重偏低，波幅严重变小，异常处的最低波速只有3350m/s，PSD 值此处异常突变，判定此段桩身混凝土严重缺陷，根据判定标准该桩评定为Ⅳ类桩。

后经钻芯法验证，桩顶下5.9～6.75m芯样混凝土严重离析，中间含有泥土。

其原因可能是大孔径桩灌注混凝土时因扩孔等因素引起中途导管埋深计算不准，致使导管拔出混凝土面后，造成二次灌注不连续而离析。

5.5实例E：某铁路桥梁29-7#基桩脉冲声波检测图见图5，该基桩桩径（φ）2000mm，桩（L）1
6.8m，桩端持力层为弱风化灰岩，声测管为壁厚3mm的无缝鋼管。

因该桩孔深超打，声测管可以下到桩面下17m处，波形检测反映该波形在三个检测剖面从桩顶下16.80～1
7.00m声时变大，声速严重偏低，波幅严重变小，异常处的最低波速只有3400m/s，PSD值此处异常突变，此附近桩底沉渣厚度≥200mm，根据嵌岩桩沉渣厚度要≤50mm，判定该桩为Ⅲ类桩。

后经钻芯法验证，桩顶下16.7～17.0m芯样为混凝土和土的混合体。

其原因可能是大孔径桩灌注混凝土时因清渣不够或第一盘减球量不够等因素引起孔底沉渣偏厚。

6结语
脉冲声波法是目前灌注桩的质量检测较为可靠的方法之一。

尤其是对大直径灌注桩的桩身完整性和桩底沉渣厚度的检测，可作为单桩承载力发挥的重要依据。

（1）基桩质量判定标准综合了声速临界值法、声速低限值法、波幅异常法，PSD值法，本文实例表明判定结论可靠，为工程处理提供了依据。

（2）检测人员对工程施工工艺、声测管的埋置方法的了解程度，也将是检测判定准确度的影响因素，结合场地工程地质特征，可初步分析缺陷的原因，将对施工有一定指导意义。

参考文献
[1]编著：刘兴录，桩基工程与动测技术200问，北京：中国建筑工业出版社.2000.
[2]编著：陈凡、徐天平、陈久照等，基桩质量检测技术，北京：中国建筑工业出版社.2003.
[3]JGJ106-2003 建筑基桩检测技术规范.
[4]TB10218-2008 铁路工程基桩检测技术规程.。