钻(挖)孔灌注桩超声波检测方法与缺陷判断

摘要：钻（挖）孔灌注桩采用超声波检测方法的原理、声测管的埋置数量、布置方式和材质选择；超声波法的仪器设备和检测方法。

关键词：灌注桩、超声检测、方法与缺陷判断

前言

钻（挖）孔灌注桩作为一种基础形式已被广泛应用于公路、铁路、水利、建筑等领域，其施工质量的好坏，直接影响到企业的声誉、国家和人民生命财产的损失。为了确保桩基质量，施工单位必须严格按照国家行业标准《JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范》精心组织施工外，试验检测机构也应有一种先进、可靠的检测手段去严把质量关，判定灌注桩的工程质量。超声脉冲法(简称超声波法)就是一种设备简单、检测迅速方便、定性定量准确可靠的无损检测方法，该方法已被列入交通部《公路工程质量检验评定标准》和中华人民共和国行业标准《基桩低应变动力检测规程》。中国工程建设标准化协会又制定了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，这无疑为超声波法的普及和发展奠定了良好的基础。

一、钻（挖）孔灌注桩超声波检测方法

1.超声波法的原理：超声波法其理论基础是声波在被测介质中的传播特性。在理想的无限大固体介质中，弹性波的波速V与介质特性（E、ρ、μ）之间，对于纵波有如下关系：

Vρ=E/ρ*（1―μ）/（1+μ）（1―2μ）

式中：E――弹性模量

ρ――密度

μ――泊松比

因而，从实测的声速特性，就可以反映所穿透的介质特性的变化。对钻（挖）孔灌注混凝土桩，其原理是：当仪器中的脉冲信号发生器发出一系列周期性电脉冲，加在发射换能器的极板上，电脉冲通过发射换能器转换成一系列超声脉冲，穿过被测的混凝土，并被接收换能器所接收，接收换能器把带有介质特性的超声脉冲信号重新转换成电信号，通过放大整形，仪器就会显示出混凝土的各种物理量（如声时、幅值、频率，波形），不同的介质，这些物理量也是不同的，通过分析这些物理量的变化，就可以判断出混凝土的灌注质量。

2.声测管的预埋：声测管是超声波检测时换能器进入桩体的通道，它是检测系统的重要组成部分，设计时应将声测管的布置和埋置方式标入图纸，施工单位应严格控制埋置的质量，以确保检测工作顺利进行。

2.1声测管的选择：声测管材质的选择，以透声率较大，便于安装及费用较低为原则。目前常用的管子有钢管、钢质波纹管、塑料管三种，目前许多大直径灌注桩均采用钢管为声测管。声测管的直径，通常比径向换能器的直径大10mm，常用规格是内径φ50~60mm。管子的壁厚对透声率的影响较小，所以，原则上对管壁厚度不作限制，但从节约费用的角度而言，管壁只要能承受新浇混凝土的侧压力，则越薄越好。

2.2 声测管埋置数量和布置方式：根据中华人民共和国行业标准JGJ/T 93―95《基桩低应变动力检测规程》规定：在桩径较小时，由于声波换能器与钢管的声耦合会引起较大的相对测试误差，超声波法只适用于桩径大于0.6米的灌注桩。桩径0.6~1.0米应埋设双管，沿直径对称布置；1.0~2.5米应埋设三根管，呈等边三角形；桩径2.5米以上应埋设四根管，呈正方形。

2.3声测管的安装：声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接方案，管的下端应封闭，上端应加盖，以确保管道畅通。声测管之间应相互平行，误差不大于1‰，检测时应在声测管内注满清水。

3．仪器设备：超声波法的仪器设备主要有：超声检测仪、换能器（即探头）、探头升降装置、记录显示装置或数据采集与处理系统、声测管等。

（1）超声检测仪：声波检测仪器的技术性能应符合行业标准的规定：接收放大系统的频带宽度宜为5~50KHz，增益应大于100dB，并应带有0~80 dB的衰减器，其分辨率应为1 dB，衰减器的误差应小于1 dB，其档间误差应小于1%。发射系统应输出250~1000V的脉冲电压，其波形可为阶跃脉冲或矩形脉冲。显示系统应同时显示接收波形和声波传播时间，其显示时间范围应大于2000μs，计时精度应大于1μs。

除了满足上述要求外，为了提高现场测试效率，仪器还应有自动测读、信号采集、存储和数据处理系统，尽可能在现场把检测结果显示出来，为此，我们选用了北京市政研究院NM―3A型和扬州超声仪器厂HF―D型两种智能型仪器。

（2）换能器的选择：换能器应采用柱状径向振动的换能器，共振频率宜为25~50KHz，长度宜为20cm，若使用带前置放大器的换能器，则前置放大器的频带宽度宜为5~50KHz。换能器的水密性应满足在1MPa水压下不漏水。发射与接收换能器在长度、频带宽度及水密性方面要求相同。应注意的是，带前置放大器的换能器只能使用在超声仪器的接收端。换能器的实测频率相差应不大于+-10%。

4． 超声仪的标定：按中国工程建设标准化协会标准CECS 21:90《超声法检测混凝土缺陷技术规程》中第二章的内容，对超声仪进行校核，其各项技术指标均应满足要求。另外，现场检测前应测定声波检测仪从发射至接收系统的延迟时间t0，因它对混凝土声速值的计算有影响。t0值的消除有两种方法：1、时距法：在一定温度下，清水（蒸馏水）的声速是较为稳定的，可作为标准介质，改变探头间距，即可测出t0。2、直接藕合法：在清水中，直接把发射与接收探头藕合在一起（注意：应事先把信号衰减，以避免损坏仪器），测读声时值t，该值即为t0值。把t0值输入仪器中，即可消除t0值。

5．电源的准备：目前我国生产的超声仪都配置有两种电源接口：交流电220V，直流电12V或24V。当使用工地交流电时，应配置交流稳压器，以防工地电压不稳而损坏仪器。当使用直流电时，应注意不要把正、负极性接反。有一种电源逆变器，可直接利用汽车里的点烟器，把直流电转换成交流电，使用起来很方便。

二、桩基质量缺陷判断

现场检测：现场检测有两种方法：粗测和细测。在正式测试之前，首先把探头放置在正常的混凝土中（一般是人工放置），调整发射电压和衰减倍数等，使荧屏上出现正常波形，并把首波幅值调到4~5cm或3~4格，然后固定电压和衰减倍数，接下来就可进行正式检测了。

1.粗测：粗测一般采用平测，即：两探头置于混凝土中同一高度，每次同时往下放，测试间距为50cm，每个测试点，等波形稳定后，记录下实测参数（声时、首波幅值，必要时可记录频率和对波形进行存储或拍照）。下面以两根声测管为例，使用北京市政研究院生产的智能型NM―3A型仪器，以声测管管平面为基准,自上而下进行检测，混凝土龄期在7天或7天以上，其具体测试步骤如下。

2.首先将两探头置于离声测管平面最近的混凝土中(如1m),此时把仪器参数设置中的起始点设置为1,测试间距设置为50cm，采用有序测试（仪器可自动显示测至几米、测的点数），其它参数可参考说明书而定。若第一点混凝土完好，则声时、幅值和波形正常，按50cm放置，继续往下检测，当所测某点声时偏大（超过20μs）、幅值降低、波形畸变时，该点的混凝土就被怀疑有问题。若所测某点声时急剧增大或接收波首波信号都难以找到、首波及后续波的幅值大幅度衰减、波形严重畸变，则该点的混凝土肯定有严重的缺陷。若接收波首波信号找不到，首波幅值衰减严重（衰减80%~100%），则由自动测读方式该为手动测读方式，此时可向计算机输入一较大的声时和较小的幅值，为了便于总结经验，还可以把波形储存起来，以便将来做对比验证。照此方法测至声测管底，给该桩起个文件名，保存后退出检测程序，则该桩测试完毕。进入桩基数据处理系统进行数据分析，若混凝土质量良好，灌注均匀性良好，混凝土7天试块强度可达设计强度的70%以上，则该桩为合格桩，检测单位可以向监理和施工单位发正式检测报告。