淺談基樁檢測(cè)中聲波透射法與低應(yīng)變法
王紅亮
摘 要：基樁成樁質(zhì)量檢測(cè)的內(nèi)容主要為樁基承載力和樁身完整性兩個(gè)方面。目前，進(jìn)行基樁完整性檢測(cè)最常用的方法主要有聲波透射法和低應(yīng)變法兩種。由于其檢測(cè)原理與作用范圍的不同，這兩種方法在應(yīng)用中各有優(yōu)劣之處。本文主要對(duì)聲波透射法和低應(yīng)變法的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了敘述，并對(duì)遇到的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：基樁檢測(cè)；聲波透射法；低應(yīng)變法
1 聲波透射法
聲波透射法檢測(cè)原理如下：根據(jù)樁徑大小在樁身預(yù)埋一定數(shù)量的聲測(cè)管作為聲波發(fā)射和接收換能器的上下通道，通過(guò)水的耦合，用聲波檢測(cè)儀以一定的間距沿通道逐點(diǎn)檢測(cè)聲波穿過(guò)樁身各截面混凝土的聲學(xué)參數(shù)；根據(jù)實(shí)測(cè)的波速、波幅、頻率、波型等特征，利用PSD判據(jù)法等技術(shù)進(jìn)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(píng)定樁身完整性等級(jí)。其顯著特點(diǎn)是：檢測(cè)全面、細(xì)致，聲波檢測(cè)的范圍可覆蓋全樁長(zhǎng)的各個(gè)橫截面，信息量相當(dāng)豐富，結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可靠，且現(xiàn)場(chǎng)操作方便、快速，不受樁長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比的限制，一般也不受場(chǎng)地限制。聲波透射法以其鮮明的技術(shù)特點(diǎn)成為目前混凝土灌注樁完整性檢測(cè)的重要手段，在建筑、水利、公路和港口等工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
從聲波透射法檢測(cè)的原理可知：這種方法主要通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定聲波經(jīng)混凝土傳播后各聲學(xué)參數(shù)的量值及變化來(lái)判斷混凝土的質(zhì)量情況。目前常用的聲學(xué)參數(shù)為聲速、波幅、頻率和波形，它們與混凝土質(zhì)量存在一定的關(guān)系。
1.1聲速與混凝土質(zhì)量的關(guān)系
聲速反映了混凝土的彈性性質(zhì)，而混凝土的彈性性質(zhì)與混凝土的強(qiáng)度具有相關(guān)性，因此聲速與混凝土強(qiáng)度之間也存在相關(guān)性。另外，聲速與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有關(guān)．內(nèi)部越緊密，孔隙率越小，則聲速越高。
1.2波幅與混凝土質(zhì)量的關(guān)系
波幅的大小與混凝土的粘塑性有關(guān)，波幅越小，說(shuō)明混凝土對(duì)聲波的衰減越大。當(dāng)混凝土中存在缺陷時(shí)，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(guò)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(zhì)量緊密相關(guān)，它對(duì)缺陷的反映比聲時(shí)更敏感。
1.3接收波頻率與混凝土質(zhì)量的關(guān)系
聲波脈沖是復(fù)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(yán)重，故頻率實(shí)質(zhì)上是介質(zhì)衰減作用的一個(gè)表征值，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，由于衰減嚴(yán)重，使頻率明顯降低。
1.4接收波波形與混凝土質(zhì)量的關(guān)系
由于聲波脈沖在缺陷界面產(chǎn)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(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換而形成橫波等原因，使接收到的時(shí)間不同，同時(shí)接收波是許多同相位或不同相位波束的疊加波，導(dǎo)致波形畸變。凡聲波脈沖在傳播過(guò)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(shù)來(lái)檢測(cè)混凝土完整性及內(nèi)部缺陷的方法已發(fā)展了數(shù)十年時(shí)間，相對(duì)也較為成熟，但作為一種無(wú)損檢測(cè)手段，它仍存在一定的局限性和技術(shù)分析難點(diǎn)：a.其檢測(cè)范圍有一定局限性。b.對(duì)于小缺陷的檢測(cè)分析有時(shí)容易出現(xiàn)誤判。對(duì)于混凝土中大的缺陷，透射波反映比較真實(shí)可靠，對(duì)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(shí)略大外其它物理特征并沒(méi)什么明顯變化，這種情況下檢測(cè)人員往往很難作出正確判斷。我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，聲波透射法檢測(cè)有時(shí)未發(fā)現(xiàn)缺陷，但抽芯時(shí)發(fā)現(xiàn)芯樣局部存在較明顯的蜂窩，后來(lái)通過(guò)抽芯孔進(jìn)行細(xì)測(cè)還是未能發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。這種情況下需要檢測(cè)人員特別細(xì)心，發(fā)現(xiàn)聲時(shí)略大時(shí)一定要進(jìn)行斜測(cè)。小缺 陷在兩管中間時(shí)斜測(cè)反映還是比較明顯的。但小缺陷如果靠近或在聲測(cè)管周圍時(shí)斜測(cè)就反映不出來(lái)了，它將變化成另外一種情況：如果是小蜂窩那就會(huì)漏測(cè)，如果是小夾泥將反映是嚴(yán)重缺陷了。
但總體而言，聲波透射法檢測(cè)到的缺陷那肯定是存在的，檢測(cè)結(jié)果完好的則樁身完整性就不會(huì)有大的問(wèn)題。
2 低應(yīng)變法
低應(yīng)變法檢測(cè)原理是以應(yīng)力波在樁身中的傳播反射特征為理論基礎(chǔ)，把樁身假設(shè)為連續(xù)彈性的一維均質(zhì)桿件，并且不考慮樁周土對(duì)沿樁身傳播的應(yīng)力波的影響，在簡(jiǎn)化為一定的數(shù)學(xué)模型和物理假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)測(cè)定和分析。低應(yīng)變法檢測(cè)技術(shù)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(shí)際狀態(tài)差別較大，容易造成誤判。同時(shí)它受到噪聲、地質(zhì)、傳感器質(zhì)量和安裝諧振頻率及測(cè)試系統(tǒng)的幅頻相頻響應(yīng)等因素影響較大。同時(shí)，它只能根據(jù)響應(yīng)信號(hào)作出判斷，理論的不完整性和信號(hào)的單一性使對(duì)缺陷的性質(zhì)和大小未能作出準(zhǔn)確判斷，檢測(cè)人員主觀意識(shí)影響較大。
2.1低應(yīng)變法檢測(cè)對(duì)樁身缺陷的類型和程度較難區(qū)分
理論上時(shí)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(shí)際上地質(zhì)的影響和信號(hào)的疊加也會(huì)產(chǎn)生同向反射，低應(yīng)變測(cè)試信號(hào)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(yīng)變法檢測(cè)既不能判斷缺陷的具體類型，也不能對(duì)樁身缺陷的程度作出定量判定。
2.2低應(yīng)變法檢測(cè)受地質(zhì)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(yīng)力波在傳播過(guò)程中能量和幅值逐漸衰減，若樁過(guò)長(zhǎng)或樁身阻抗多變，往往應(yīng)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(cè)到樁底反射信號(hào)。故《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2003）說(shuō)明對(duì)同一場(chǎng)地、地質(zhì)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(dǎo)致實(shí)測(cè)信號(hào)無(wú)樁底反射波時(shí)，可按本場(chǎng)地同條件下有樁底反射波的其他樁實(shí)測(cè)信號(hào)判定樁身完整性類別。
在實(shí)際檢測(cè)中樁身阻尼和土阻力的影響往往比我們預(yù)計(jì)的要復(fù)雜得多，有時(shí)相似的響應(yīng)信號(hào)（時(shí)域曲線）抽芯出來(lái)的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，特別是嵌巖樁。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有些嵌入堅(jiān)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(yīng)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(yīng)變法很難回答樁底沉渣厚度的大小和影響程度。
2.3對(duì)同向反射信號(hào)的分析與處理
低應(yīng)變法檢測(cè)中，對(duì)同向反射信號(hào)應(yīng)視不同情況作具體分析：屬于擴(kuò)孔后的恢復(fù)信號(hào)，其同向幅值不大于反向，不應(yīng)當(dāng)作缺陷信號(hào)；淺部同向并造成振蕩的應(yīng)開(kāi)挖檢查；深部的幅值過(guò)高或產(chǎn)生振蕩的，不管是否能看到樁底反射信號(hào)，均應(yīng)進(jìn)一步抽芯檢查；嵌巖樁有明顯入巖信號(hào)但
樁底存在同向反射的，應(yīng)抽芯檢查并作這一工地的參考資料，其它相同信號(hào)供強(qiáng)制性抽芯參考；嵌巖樁無(wú)明顯入巖信號(hào)并樁底存在同向反射的，一律抽芯驗(yàn)證。
2.4傳感器安裝和激振的相關(guān)問(wèn)題
傳感器安裝和激振是低應(yīng)變法檢測(cè)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(zhì)量，前者與粘接體的性質(zhì)、幾何尺寸、接觸面積以及平整度有關(guān)，后者是安裝體質(zhì)量越大，安裝諧振頻率就越低，故要采取一系列有針對(duì)性的措施消除它對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)的不良干擾：傳感器用耦合劑粘結(jié)時(shí)，粘結(jié)層應(yīng)盡可能薄，傳感器安裝面與樁頂面應(yīng)緊密接觸；傳感器安裝點(diǎn)與激振點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離鋼筋籠，以減少外露鋼筋振動(dòng)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生干擾信號(hào)；傳感器安裝點(diǎn)與激振點(diǎn)距離和位置不同，所受干擾的程度各異，安裝點(diǎn)距樁中心約2／3半徑處，受干擾相對(duì)較�。划�(dāng)樁徑增大時(shí)，樁截面各部位的運(yùn)動(dòng)不均勻性也增加，故每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)有效信號(hào)數(shù)不宜少于3個(gè)，而且應(yīng)具有良好的重復(fù)性，通過(guò)疊加平均提高信噪比。
3 結(jié)束語(yǔ)
總而言之，聲波透射法與低應(yīng)變法基樁完整性檢測(cè)都是技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的測(cè)試方法，兩種檢測(cè)方法在可靠性和技術(shù)上存在不同的局限性，排除外界條件的干擾，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，減少在工程樁基礎(chǔ)檢測(cè)中的誤判，除了應(yīng)提高儀器設(shè)備的質(zhì)量外，經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和推廣也是非常重要的。隨著理論的不斷完善、儀器設(shè)備的改進(jìn)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的提高，這兩種檢測(cè)技術(shù)一定能在工程建設(shè)中更好地發(fā)揮作用。
 

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