1、1桥梁基桩超声波检测与小应变检测比较摘要：对于桥梁基桩检测，超声波检测与小应变检测无疑是一种快捷、经济可行性的检测方法。本文通过对检测桥梁基桩的超声波和小应变两种检测方法的原理、测试方法的阐述，以及对在洞新高速公路中两种检测方法得出的检测结果进行分析对比。使得在了解超声波检测和小应变检测的同时，得出了采用超声波检测对桥梁基桩完整性检测比较合适的结论。 关键词：基桩质量检测；完整性；超声波；小应变。 Abstract: The methods of Ultrasonic testing and Pulse Echo Method (PEM) are fast, economic and feas
2、ible methods for Testing of piles. In this paper, combined with engineering practice of a certain bridge, located in Dongkou, the principles and the test methods of both Ultrasonic testing and Pulse Echo Method are outlined. By compared the results, the conclusion that Ultrasonic testing is superior
3、 to Pulse Echo Method can be obtained. Keywords: base pile mass check；integrity；Ultrasonic；Pulse Echo Method (PEM). 中图分类号：TU473.1+6 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2013) 21 概述 在桥梁基桩施工中，基桩质量检测工作到位与否直接影响整个工程的质量。近年来随着检测技术迅速发展，其中在工程检测中应用最多的就是超声波检测和小应变检测。因此在桥梁基桩质量检测中对此两种检测方法进行探讨具有十分重要的意义。 本文先通过对超声波检测与小应变检测原理、测试方法
4、的介绍，以便对这两种检测方法有充分的认识，再以洞口至新宁高速公路桥梁基桩质量检测中的超声波检测和小应变检测两种检测情况为例，对超声波检测与小应变检测进行比较，得出结论。 2 原理对比 2.1 超声波检测原理 声波是一种弹性波，因而在各介质中传播服从弹性波传播规律。由某因素引起的初始扰动或振动，形成的弹性波将会以波的形式把这一扰动或振动在弹性介质中传播。通过弹性力学知识，可以容易得到横波（S）和纵波（P）在各介质中的传播速度表达式，如下： 横波 纵波 由上式横波、纵波波速表达式可知：弹性波在介质中传播速度之所以不同是由于弹性介质的性质及种类不同引起的弹性常数及密度不同导致的。在现场桩基检测中，声
5、波在正常混凝土中传播速度一般为330004000m/s，但当检测时遇到缺陷混凝土结构，如夹泥、颈缩、断桩和离析等缺陷时，声波传至此处时将会发生衰减。部分声波由于绕过缺陷部位继续传播，使得传播时间增加，相应波速会降低，从而产生所谓的漫射现象。声波在传播过程中若遇到有空洞的空气界面将发生发射和散射，发射和散射使得声波的振幅减小。由于缺陷的存在，使得声波的传播路径变得复杂，从而导致波形发生畸变。所以声波在有缺陷的混凝土中传播时，该声波振幅会减小、波速会降低、波形会发生畸变。此即超声波检测的基本原理。 2.2 小应变检测原理 所检测的桩的长度远大于桩的直径,假设桩为一维线弹性杆,桩长为,横截面积为,弹
6、性模量为 E,质量密度为,重锤敲击所击发的沿桩轴线单位长度的土阻力为,桩身纵波波速为,桩身质点速度为,桩身质点位移为,推导可得一维波动方程: 假设桩中某处阻抗发生变化,当应力波从介质进入介质时将产生反射波和透射波。令完整桩系数,对波动方程求解可得: 式中:入射波、反射波和透射波均为应力波在界面处的值。由上式可知,检测过程中，若没有产生反射波，即，所以，即波阻抗没有发生变化，可知桩身完整。若产生同相反射波，即，所以，即波阻抗减小，可知桩身存在如缩径、离析、夹泥等缺陷。若产生反向反射波，即，所以，即波阻抗增大，可知桩身存在扩径。因而分析桩的完整性，可根据实测得4到的速度波形,采用一维波动方程信号拟
7、合法，反算出桩身完整系数值，再根据值具体分析桩身缺陷。由纵波波速表达式可知，若已知桩底反射波到达时间和桩长,即可计算出桩身的平均纵波波速。若已知缺陷反射波到达缺陷时间和波速,根据式，可计算该缺陷深度。 3 测试方法对比 3.1 超声波检测 现阶段一套完整的桩基超声波检测仪包括发射探头、接收探头、声波脉冲发生器、放大整形、显示和数据处理系统。预埋垂直声测管时要按照规范要求，金属和塑料的声测管在工程中居多，管底端必须封闭、顶端要求加盖；内径一般为 5060mm，管口需要高出桩顶 100mm 以上，各声测管高度大致一样；并要与桩身混凝土粘结牢靠，保持各管垂直平行。测管的数量和布置根据桩径的大小确定，
8、按照规范应符合表 1 要求；测管的布置一般根据不同声管数量按图 1 布置。 表 1 各桩径预埋声测管数量表 图 1 不同测管数量下的布置图 由于桩身中预埋了声测管，使得超声接收和发射换能器能够通过该管道检测桩身混凝土,同时需要保证探头能够在各声测管中同步移动，以确保超声脉冲数据反映出不同深度横截面上混凝土各项参数,再由超声测缺原理分析检测所得的数据，即可判断该混凝土的质量。根据规范要求在进行跨孔对穿测试时，必须保证混凝土桩基养护龄期在 14d 以上。在5进行现场检测的过程中，对现场声测管的编号方法如图 2 所示： 图 2 声测管编号示意图 现场每根桩的声测管以 1、2、3、4 进行编号，以该桥
9、的前进方向为方向，该桩最前的声测管为起始点，按顺时针旋转对该桩进行编号和分组，每两声测管编一组，起始点的声测管编号为 1，按顺时针方向依次编为 2、3、4 不等。 声波透射测试方法：人们所熟悉的平测法、斜测法和扇形扫测法(见图 3)是根据两探头相对高程的变化进行分类,现今工程实践中一般采用平测和斜测 2 种方法。 图 3 平测、斜测和扇形扫测示意 平测法要求在进行桩基检测过程中必须始终保持发射和接收换能器在同一高程上，以便得到的超声脉冲是同一高度的；这样在垂直方向上的缺陷可通过平测知道其位置和范围大小。斜测法顾名思义是在测试过程中发射和接收换能器不在同一高程上。但必须保持固定的高程相差值,并且
10、同一剖面需进行两次独立的测试。一般说来欲要缩小桩身缺陷在水平方面的范围，需要增大发射和接收换能器的高差,但信号的强弱是随着高差改变而不断变化的，高差越小则接收的信号就越强,且各种干扰信号也会越小,就越容易判别缺陷范围，反之则效果不理想。所以测试时选择发射和接收换能器的高差必须保证接收信号较好。通过斜测可以缩小缺陷在水平方向上的范围。因此斜测法常作为平测法的补充测试方法。 63.2 小应变检测 小应变检测系统由基桩动测仪、传感器和激振设备组成。在现场检测前，检测人员应了解场地地质条件、桩型、桩设计参数、成桩工艺、施工记录及相关的资料。桩头处理：对受检桩，要求桩顶的混凝土质量、截面尺寸与桩身设计条
11、件基本相同。桩头应凿去浮浆或松散、破损部分，并露出坚硬的混凝土，对桩头外露主筋不宜太长。桩头表面应平整干净、无积水，并将传感器安装点与敲击点部位磨平。传感器的选择与安装：一般选择加速度传感器。传感器用耦合剂黏结时，黏结层应尽可能薄。必要时，采用打孔安装方式，传感器底安装面应与桩顶混凝土紧密接触，其安装点宜在距桩中心 1/21/3 半径处。激振点与传感器安装点应远离钢筋笼的主筋。测点数量视桩径大小而定，且距离桩的主筋不宜小于 50mm。当桩径不大于 1000mm 时，不宜小于 2 个测点；当桩径大于 1000mm 时，不宜小于四个测点。综上，即在桩顶安装传感器，通过锤击产生激振信号，用动测仪获取
12、应力波在桩身中传播后反射至桩顶的信号，根据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征，结合工程地质资料及桩基施工记录等，推定单桩的完整性。 4 工程实例测试对比 4.1 工程概况 洞口至新宁高速公路 S2 标段某桥梁，该桥设计基桩数为 48 根，设计混凝土标号为 C25，桩型都为摩擦桩。桩基设计桩径分别为1200mm、1300mm，设计桩长分别为 35.0m、40.0m，其中桥墩系梁高度为71.2m，声测管数为 3 根。检测要求：对该桥桥梁基桩进行超声波、小应变完整性检测，以评定桩身质量的完整性；混凝土灌注桩龄期达到 14 天以上。 4.2 检测结果对比 两种检测方式
13、检测该桥的 4 根基桩结果比较如下： 对于设计桩长为 40m 的 4-1#基桩无论是超声波检测还是小应变检测其检测结果都为类桩，但超声波检测能完整反映基桩桩底轻微离析，而小应变检测结果为正常，当然由于该桥基桩都是摩擦桩，对桩底要求不如嵌岩桩高，因此对基桩结果判定是没有影响。 对于设计桩长为 40m 的 3-2#基桩的检测结果，超声波检测出来是波形正常、波速正常、PSD 判据正常，判别结果是砼桩身完整性好、均匀性好，为类桩；而小应变检测出来的桩底反射曲线不明显，且在距桩底 13m、20m、22m 多处反射波形相位同初始相位相同,而波速为3900m/s，定性说明该灌注桩强度较高，结合工程地质情况及
14、施工记录比较难以判断该基桩完整性等级。 对于设计桩长为 40m 的 2-0#基桩的检测结果，超声波检测波形与数据如表 2 和图 4： 表 22-0#基桩超声波检测数据表 图 42-0#基桩超声波检测缺陷位置图 从改图中可以清楚的看到三个声测剖面在 14.75m16.25m 与821.25m21.75m 截面处出现断桩；小应变检测出来的结果要经多次重复测试才能判定也是断桩，而且其断桩的位置也只能大概估计在 14m22m 处，没有声测中检测这么明显是两处断桩。后经处理证实声测结果非常吻合，这就为工程处理提供强有力的支持。 对于设计桩长为 35m 的 0B-2#基桩的检测结果，超声波检测其为类桩其检
15、测波形图缺陷部分如图 5 所示： 图 50B-2#基桩超声波检测缺陷位置图 而小应变检测检测出来在 16m 处反射波形有波动但在判定该基桩完整性时结合经验和现场条件判定结果为类。 4.3 差异原因分析 小应变检测出的桩基缺陷如烽窝、缩径、夹泥、桩底清淤不净，都是由于桩身传播速度、质量密度、面积变小导致的，这在小应变检测仪中反映的都是同相反射波。这些反射特征在实际检测桩基时，由于受到各方面的影响，并不能一目了然，这就需要在了解实际检测情况的同时还应懂得应力波的传播特性及共振特性，才能够在实测的的波形图中准确判断该桩基质量，这就对基桩的判定结果造成极大的难度，也就是说判定结果的不确定性。而超声波检
16、测无论是从波形图还是采集数据来看都简单明了，能让检测人员直接分析此基桩缺陷情况及位置，这些都使得基桩完整性判定结果更简单、准确。 5 结语 桥梁桩基使用声波透射法检测其完整性可以得到比较可靠准确的数9据，从而根据检测结果对桩基缺陷所在位置进行处理。应力波反射方法是一种较为有效的检测桩身完整性和混凝土质量的方法,该方法的关键是对其所采集波形的正确判读,尤其是桩身浅部,如桩身存在缺陷,它可能会发生多次反射,影响整个桩身下部信号。因此,分析缺陷时需结合施工工艺、地质条件、工程实际等多方面因素综合考虑,谨慎判别。 虽然小应变检测具有设备轻便，操作简单，成本低廉等优点，但其检测桩长的限制以及其检测出来的
17、结果易造成误判等缺陷使得超声波检测在桥梁基桩质量检测中愈显重要，其中在邯大高速公路桥梁基桩质量检测中就都是采用超声波检测。 参考文献 1建筑基桩检测技术规范（JGJ106- 2003） S. 北京：中国建筑工业出版社，2003. 2 公路工程试验检测用书何玉珊，章关永M. 北京：人民交通出版社，2010. 3周亚宇.举水河特大桥钻孔桩基小应变检测分析及施工对策J.铁道标准设计，2006（10）：44-47. 4孙金锁.桩基小应变检测中混凝土强度等级判断结果的准确性分析J.太原科技，2003（3）:84-86. 5刘德贵，姚 勇，王 宁. 超声波透视法在桩基检测中的应用J.路基工程，2009（2）159-160. 6赵建铧，周崇良. 声波透射法检测对桩基质量的分析与判别J.工程与建设，2012（4）507-509. 10
