淺談基樁檢測中聲波透射法與低應變法
王紅亮
摘 要：基樁成樁質量檢測的內容主要為樁基承載力和樁身完整性兩個方面。目前，進行基樁完整性檢測最常用的方法主要有聲波透射法和低應變法兩種。由于其檢測原理與作用范圍的不同，這兩種方法在應用中各有優(yōu)劣之處。本文主要對聲波透射法和低應變法的相關技術要點進行了敘述，并對遇到的相關問題進行探討。
關鍵詞：基樁檢測；聲波透射法；低應變法
1 聲波透射法
聲波透射法檢測原理如下：根據(jù)樁徑大小在樁身預埋一定數(shù)量的聲測管作為聲波發(fā)射和接收換能器的上下通道，通過水的耦合，用聲波檢測儀以一定的間距沿通道逐點檢測聲波穿過樁身各截面混凝土的聲學參數(shù)；根據(jù)實測的波速、波幅、頻率、波型等特征，利用PSD判據(jù)法等技術進行分析判斷，確定樁身混凝土缺陷的位置、范圍、程度，從而推斷樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性，并評定樁身完整性等級。其顯著特點是：檢測全面、細致，聲波檢測的范圍可覆蓋全樁長的各個橫截面，信息量相當豐富，結果相對準確可靠，且現(xiàn)場操作方便、快速，不受樁長、長徑比的限制，一般也不受場地限制。聲波透射法以其鮮明的技術特點成為目前混凝土灌注樁完整性檢測的重要手段，在建筑、水利、公路和港口等工程建設領域得到了廣泛應用。
從聲波透射法檢測的原理可知：這種方法主要通過準確測定聲波經(jīng)混凝土傳播后各聲學參數(shù)的量值及變化來判斷混凝土的質量情況。目前常用的聲學參數(shù)為聲速、波幅、頻率和波形，它們與混凝土質量存在一定的關系。
1.1聲速與混凝土質量的關系
聲速反映了混凝土的彈性性質，而混凝土的彈性性質與混凝土的強度具有相關性，因此聲速與混凝土強度之間也存在相關性。另外，聲速與混凝土內部結構也有關．內部越緊密，孔隙率越小，則聲速越高。
1.2波幅與混凝土質量的關系
波幅的大小與混凝土的粘塑性有關，波幅越小，說明混凝土對聲波的衰減越大。當混凝土中存在缺陷時，吸收衰減和散射衰減增大，使波幅明顯變小。波幅受換能器的耦合條件影響較大，通過水的耦合一般比較穩(wěn)定，但最好使換能器處于居中位置。波幅與混凝土質量緊密相關，它對缺陷的反映比聲時更敏感。
1.3接收波頻率與混凝土質量的關系
聲波脈沖是復頻波，頻率成份較多，各頻率成份的衰減程度不同，高頻部分比低頻部分衰減嚴重，故頻率實質上是介質衰減作用的一個表征值，當遇到缺陷時，由于衰減嚴重，使頻率明顯降低。
1.4接收波波形與混凝土質量的關系
由于聲波脈沖在缺陷界面產生反射和折射等，形成不同的波束，這些波束因傳播路徑不同或由于在界面產生波形轉換而形成橫波等原因，使接收到的時間不同，同時接收波是許多同相位或不同相位波束的疊加波，導致波形畸變。凡聲波脈沖在傳播過程中遇到缺陷，其接收波往往畸變，其變形程度可作為判斷缺陷程度的參考依據(jù)。
盡管利用超聲波透射技術來檢測混凝土完整性及內部缺陷的方法已發(fā)展了數(shù)十年時間，相對也較為成熟，但作為一種無損檢測手段，它仍存在一定的局限性和技術分析難點：a.其檢測范圍有一定局限性。b.對于小缺陷的檢測分析有時容易出現(xiàn)誤判。對于混凝土中大的缺陷，透射波反映比較真實可靠，對于小的缺陷，這兩種干擾比較明顯。透射波在小缺陷位置發(fā)生繞射，接收到的波形除了聲時略大外其它物理特征并沒什么明顯變化，這種情況下檢測人員往往很難作出正確判斷。我們在實踐中發(fā)現(xiàn)，聲波透射法檢測有時未發(fā)現(xiàn)缺陷，但抽芯時發(fā)現(xiàn)芯樣局部存在較明顯的蜂窩，后來通過抽芯孔進行細測還是未能發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。這種情況下需要檢測人員特別細心，發(fā)現(xiàn)聲時略大時一定要進行斜測。小缺 陷在兩管中間時斜測反映還是比較明顯的。但小缺陷如果靠近或在聲測管周圍時斜測就反映不出來了，它將變化成另外一種情況：如果是小蜂窩那就會漏測，如果是小夾泥將反映是嚴重缺陷了。
但總體而言，聲波透射法檢測到的缺陷那肯定是存在的，檢測結果完好的則樁身完整性就不會有大的問題。
2 低應變法
低應變法檢測原理是以應力波在樁身中的傳播反射特征為理論基礎，把樁身假設為連續(xù)彈性的一維均質桿件，并且不考慮樁周土對沿樁身傳播的應力波的影響，在簡化為一定的數(shù)學模型和物理假定的基礎上進行參數(shù)測定和分析。低應變法檢測技術也處于發(fā)展階段，由于該理論是建立在假定的理想狀態(tài)下，與實際狀態(tài)差別較大，容易造成誤判。同時它受到噪聲、地質、傳感器質量和安裝諧振頻率及測試系統(tǒng)的幅頻相頻響應等因素影響較大。同時，它只能根據(jù)響應信號作出判斷，理論的不完整性和信號的單一性使對缺陷的性質和大小未能作出準確判斷，檢測人員主觀意識影響較大。
2.1低應變法檢測對樁身缺陷的類型和程度較難區(qū)分
理論上時域曲線存在同向反射，那樁身混凝土必定存在縮孔、離析、夾泥、蜂窩、斷裂等或樁底存在沉渣、持力層差等缺陷，但實際上地質的影響和信號的疊加也會產生同向反射，低應變測試信號中主要反映出樁身阻抗減小的信息，阻抗的變小可能是上面一種或多種缺陷類型及其程度大小的綜合體現(xiàn)，所以低應變法檢測既不能判斷缺陷的具體類型，也不能對樁身缺陷的程度作出定量判定。
2.2低應變法檢測受地質條件等因素影響較大
由于受樁周土約束、錘激能量、樁身材料阻尼和截面阻抗變化等因素影響，應力波在傳播過程中能量和幅值逐漸衰減，若樁過長或樁身阻抗多變，往往應力波尚未反射回樁頂甚至還未傳到樁底，其能量已完全衰減或提前反射；或樁的阻抗與樁端持力層阻抗匹配。上述情況均使儀器未能測到樁底反射信號。故《建筑基樁檢測技術規(guī)范》（JGJ106-2003）說明對同一場地、地質條件相近、樁型和成樁工藝相同的基樁，因樁端部分樁身阻抗與持力層阻抗相匹配導致實測信號無樁底反射波時，可按本場地同條件下有樁底反射波的其他樁實測信號判定樁身完整性類別。
在實際檢測中樁身阻尼和土阻力的影響往往比我們預計的要復雜得多，有時相似的響應信號（時域曲線）抽芯出來的結果相差甚遠，特別是嵌巖樁。實踐中發(fā)現(xiàn)有些嵌入堅硬基巖的樁底出現(xiàn)同向反射，而鉆芯卻未發(fā)現(xiàn)樁端或基巖存在缺陷；或者嵌巖樁樁底反向反射明顯，但抽芯發(fā)現(xiàn)樁底有沉渣或持力層破碎、裂隙發(fā)育等情況。
另一方面，雖然低應變法理論上可以將嵌巖樁樁端視為桿件的固定端，并根據(jù)樁底反射波的方向判斷樁端端承效果，但低應變法很難回答樁底沉渣厚度的大小和影響程度。
2.3對同向反射信號的分析與處理
低應變法檢測中，對同向反射信號應視不同情況作具體分析：屬于擴孔后的恢復信號，其同向幅值不大于反向，不應當作缺陷信號；淺部同向并造成振蕩的應開挖檢查；深部的幅值過高或產生振蕩的，不管是否能看到樁底反射信號，均應進一步抽芯檢查；嵌巖樁有明顯入巖信號但
樁底存在同向反射的，應抽芯檢查并作這一工地的參考資料，其它相同信號供強制性抽芯參考；嵌巖樁無明顯入巖信號并樁底存在同向反射的，一律抽芯驗證。
2.4傳感器安裝和激振的相關問題
傳感器安裝和激振是低應變法檢測的重要環(huán)節(jié)。影響傳感器安裝諧振頻率的因素主要是安裝剛度和安裝體質量，前者與粘接體的性質、幾何尺寸、接觸面積以及平整度有關，后者是安裝體質量越大，安裝諧振頻率就越低，故要采取一系列有針對性的措施消除它對實測信號的不良干擾：傳感器用耦合劑粘結時，粘結層應盡可能薄，傳感器安裝面與樁頂面應緊密接觸；傳感器安裝點與激振點應遠離鋼筋籠，以減少外露鋼筋振動對測試產生干擾信號；傳感器安裝點與激振點距離和位置不同，所受干擾的程度各異，安裝點距樁中心約2／3半徑處，受干擾相對較��；當樁徑增大時，樁截面各部位的運動不均勻性也增加，故每個檢測點有效信號數(shù)不宜少于3個，而且應具有良好的重復性，通過疊加平均提高信噪比。
3 結束語
總而言之，聲波透射法與低應變法基樁完整性檢測都是技術與經(jīng)驗相結合的測試方法，兩種檢測方法在可靠性和技術上存在不同的局限性，排除外界條件的干擾，提高檢測的準確度，減少在工程樁基礎檢測中的誤判，除了應提高儀器設備的質量外，經(jīng)驗的總結和推廣也是非常重要的。隨著理論的不斷完善、儀器設備的改進和技術經(jīng)驗的提高，這兩種檢測技術一定能在工程建設中更好地發(fā)揮作用。
 

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