关于超声波检测灌注桩常见缺陷的一些问题的探讨.docx
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关于超声波检测灌注桩常见缺陷的一些问题的探讨
关于超声波检测灌注桩常见缺陷的一些问题的探讨
一、研究背景
随着建设工程事业的蓬勃发展，桩基础得到越来越广泛的应用，并且越来越多的大直径超长桩得到应用和推广。
由于超声波检测大直径超长桩桩身结构完整性，不同于低应变、高应变法检测受桩身尺寸和现场条件的限制和约束，因此目前在检测领域越来越受到青睐。
随着超声波无损检测技术的推广，我国从上世纪80年代开始制定了一系列混凝土检测技术的规程并进行了多次修订，这大大促进了无损检测技术在工程中的应用和普及。
目前超声波检测方法的全国性规范有：
建设部行业标准《建筑桩基检测技术规范》（JGJ106-2003）、中国工程标准化委员协会标准《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21-2000）、交通部行业标准《港口工程混凝土非破损检测技术规程》（JTJ/T272-99）等。
在实际工程中，如何实践规范及业主的严格要求，如何根据信号类别判断缺陷类型及判定缺陷范围等具体内容需要丰富的实践经验。
本小组结合大型工程中遇到的问题及以往经验，对现场信号的采集及结果的分析，明确具体的实践方法，归纳经验。
本论文，通过对诸多工程检测中的遇到的问题及采集到的信号，进行分析汇总，总结出不同信号类型对应的缺陷类型，及对缺陷更加准确的描述，达到对桩身完整性做出合理判断，为工程质量验收提供技术参考，也为后续工程检测的开展提供经验借鉴。
二、超声波检测原理
在被测桩内预埋若干根竖向相互平行的声测管作为检测通道，将超声脉冲发射换能器与接收换能器置于声测管中，管中注满清水作为耦合剂，由仪器发射换能器发射超声脉冲，穿过待测的桩体混凝土，并经接收换能器被仪器所接收，判读出超声波穿过混凝土的声时、接收波首波的波幅以及接收波主频等参数。
超声脉冲信号在混凝土的传播过程中因发生绕射、折射、多次反射及不同的吸收衰减，使接收信号在混凝土中传播的时间、振动幅度、波形及主频等发生变化，这样接收信号就携带了有关传播介质（即被测桩身混凝土）的密实缺陷情况、完整程度等信息。
声波在混凝土中传播时，遇到混凝土质量差，如离析、夹泥等缺陷时，声波将发生衰减，部分声波将绕过缺陷传播，使得传播时间增长、波速减小，即产生漫射现象，若遇有空洞的空气界面将产生反射和散射，使波幅减小；由于缺陷使混凝土不连续，则声波传播路径复杂化，会引起波形畸变。
因此，声波在有缺陷的混凝土传播时，波幅减小，声时加大（波速降低），波形畸变。
由仪器的数据处理与判断分析软件对接收信号的各种声参量进行综合分析，即可对桩身混凝土的完整性、内部缺陷性质、位置以及桩混凝土总体均匀性等级等做出判断，完成检测工作。
检测系统图如图1所示。
图1检测系统图
图中：
──第一测点的相对标高（m）；
──声测管外壁间的最小间距：
即超声波测距（mm）；
──测点间距（mm）。
检测声参数：
（1）声时T——混凝土测距间声波传播时间（
S）；
（2）波幅A——接收波首波波幅（
）。
数据采集：
（1）将每片墙声测管每2根一组；
（2）发射与接收换能器应以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距不宜大于250mm；
（3）检测可由声测管底部开始。
发射电压、放大增益应固定保持不变，沿桩身连续测取声时及波幅并记录；
（4）声时、波幅异常处应加密或重复检测，采用对测、斜测、交叉斜测及扇形扫测等方法，确定缺陷位置和范围。
三、常见缺陷类型
工程桩质量问题的分析可从成桩质量和地质情况两方面入手，对此我们分别进行了调研和分析：
Ⅰ成桩质量
1．空洞
浇筑灌注桩的过程中，中心导管上拔不及时，混凝土已经具有一定强度，导致导管拔出时，带动周围混凝土松动，形成空洞。
2．混凝土离析
混凝土由于搅拌不均匀，以及浇筑时导管没有位于桩中心导致没有粗骨料的混凝土在桩断面的某一位置集中，形成桩身断面内一部分只是水泥砂浆没有粗骨料。
3.夹泥层
浇筑过程中，孔壁土块掉落；及拔管太快导致管口位于泥浆内，使得桩身混凝土中局部存在加泥现象。
3.断桩
由于拔管太快，导致管口位于泥浆层内，导致后浇筑的混凝土与前浇筑的混凝土之间夹一层泥浆；或者孔壁塌孔导致中间夹一层土层，形成断桩。
Ⅱ地质原因
由于土层中有软土层或粘土层，引起缩颈，塌孔引起扩径；由于土层中含有砂层，导致浇筑过程中形成塌孔，导致断桩。
四、信号分析
超声波检测的主要评价指标包括声时（波速）和振幅（能量）。
《建筑桩基检测技术规范》（JGJ106-2014）桩身完整性判定标准如下：
美国规范ASTM-D6760[3]中没有明确的桩身完整性分类，只是当发现信号异常时，采用其他方法如取芯法等去验证。
表3美国超声波检测缺陷分类标准
混凝土质量评价（ConcreteQuality）
首波声时延迟
（FATIncrease）（%）
条件关系（SimultaneouslySatisfies/AnItemSatisfies）
能量衰减
（EnergyReduction）（dB）
完整（Good）
0～10
且（add）
<6
可疑的（Questionable）
10～20
且（add）
<9
缺陷（Poor/Flaw）
20～30
或（or）
9～12
严重缺陷（Poor/Defect）
>30
或（or）
>12
1.声时延迟
2.能量衰减
3.声时延迟同时能量衰减
五、信号与缺陷对应关系
灌注桩可能产生各种类型的缺陷。
所有缺陷虽然都会引起声学参数的异常变化，但不同类型的缺陷会表现出声学参数变化的不同特征。
从以往经验及现场采集的信号与抽芯结果进行对照可以总结出某些规律：
1）泥沙与水泥浆的混合物，这类缺陷多由浇筑导管提升不当造成，或者是混凝土本身离析，其特点是声速与振幅均明显下降，同时信号一般是发生突变。
2）孔壁坍塌或泥团，声速与振幅均下降，但下降多少则视缺陷情况而定。
如果是局部的泥团，并未包裹声测管，则下降的程度并不大；如果泥团包裹声测管，则下降程度较大，特别是振幅的下降更为剧烈。
一根声测管被泥团包裹将影响两个测试面。
通过斜测可以分辨这些情况。
当需要确定为包裹声测管的泥团尺寸时，可以根据泥团处两声测管间的声时、正常混凝土的声时进行对比，通常假定泥团的声时为2000m/s左右，大致估算在两声测管间泥团的尺寸。
3）混凝土离析：
灌注桩容易发生混凝土离析，造成桩身某处粗骨料大量堆积，而相邻部位粗骨料少的情况。
粗骨料多的地方，由于粗骨料多，而粗骨料本身波速高，往往形成这些部位声速测值并不低，有时反而有所提高。
但由于粗骨料多，声学界面多，对声波的反射、散射加剧，接收信号被削弱，于是振幅下降。
至于粗骨料少而砂浆多的地方正好相反:
由于该处砂浆多，粗骨料少，测得的波速下降但振幅测值不但不下降，有时还会高于附近测值。
这显然是由于粗骨料少，则声波被反射散射少的缘故。
4）空洞，气泡密集的混凝土：
在灌注桩上部桩身有时因为混凝土浇筑导管提升过快，大量空气封在混凝土内，虽不一定造成空洞，但可能形成大量气泡分布在混凝土内，使得混凝土质量有所降低。
这种混凝土内的分散气泡不会使波速明显降低，但却使声波能量明显衰减，接收波振幅明显下降，这是这类缺陷的特征。
5）沉渣过厚：
沉渣是松散介质，其本身波速很低，对声波的衰减也相当剧烈，所以凡遇到沉渣，必然引起声速和振幅均剧烈下降。
通常在桩底出现这种情况多属于沉渣所引起。
六、缺陷位置及范围的确定
当发现桩身存在缺陷时，尤其是缺陷比较严重需要进行修复时，需要确定缺陷位置及范围，以便进行准确修复。
1）当缺陷位于桩底和桩顶时，需要采用扇形测的方法，即接受探头与发射探头保持其中一个不动，只移动其中一个探头进行测试，可以确定出缺陷位置。
2）当缺陷位于桩身时，需要采用斜测的方法，即接受探头与发射探头不在同一平面内，而是上下错开一定距离，进行测试，通过改变错开的距离同时与平测时对比，可以确定出缺陷位置。
3）通过多个检测剖面的斜测、平测、扇形测的结果可以得到整个断面的缺陷范围。
有时为了增加检测精度，可以进行取芯，同时将取芯孔作为声测探头通道，进一步缩小检测平面。
七、结语
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