摘要：结合焦郑高速公路钻孔灌注桩的超声波检测，对超声波检测的原理、方法以及桩身缺陷的判定进行了介绍和分析，通过实例证明超声波检测法能准确判断出桩身缺陷的位置和范围，并能对缺陷严重程度做出评价，是检测灌注桩桩身质量的一种较好方法。
目前，在我国灌注桩作为一种重要的基础型式，已在许多建筑工程中采用。灌注桩属地下隐蔽工程，由于施工工序较多，工艺流程相互衔接紧密，加之主要工序的施工过程都在地下与水下进行，不便于监控，同时影响施工正常进行和施工质量的因素众多，难以全部预见，所以不可避免地会出现诸如缩径、夹泥、离析、断桩等各种形态的缺陷，影响桩身的完整性与单桩的承载能力[1]。因此对其桩身进行质量检测，以及出现质量缺陷后其位置、范围、严重程度的确定是岩土工程界研究的课题之一。超声波检测法作为一种无损检测是较为经济可靠的桩基质量完整性检测方法，能够准确地发现缺陷的位置与范围，评价其严重程度，为缺陷桩的处理提供依据[2-3]。本文主要介绍该方法在钻孔灌注桩检测中的应用。
1 工程概况
焦郑高速公路是由焦作市公路局自筹资金修建的焦作“人”字骨架高速公路之一。路线所经地区属黄淮冲洪积平原，地层主要为第四系松散冲积物。表层为黄土状低液限粘土及粉土，厚度 2.5～5.0m，干燥-潮湿，半坚硬-硬塑。其下为亚粘土夹砂层及亚砂土透镜体，厚度 30.00m 左右，潮湿，以硬塑为主，局部软塑。本区地下水为孔隙水，埋深 1.15～3.86m，平均 2.74m，按承压性可分为潜水及弱承压水两种类型。潜水主要贮存于上部亚砂土、砂土含水层内，承压水贮存于下部的砂土含水层内，含水量丰富，地下水基本上不具侵蚀性。根据地质情况，全线桥梁基础均设计为钻孔灌注桩，为确保桩基质量，建设单位要求桩基检测必须采用超声波检测法进行检测。
2 超声波检测原理
超声波无损检测法是利用超声波在混凝土中传播遇到缺陷时发生声时、声幅、波形畸变和主频率降低的特点，以达到检测混凝土和桩基缺陷的目的。检测装置主要由超声换能器(即探头)、超声检测探头升降装置、记录显示装置或数据采集与处理系统等基本部件组成。超声波检测装置如图 1 所示。
采用超声波检测法时，被检测桩必须要先预埋测管。本工程桩基施工时均预埋了竖直φ=57mm 铁质测管 3 根。测管分布如图 2 所示，测管的上下口封死，防止桩基浇注过程中泥浆和水泥砂浆等杂物渗入。检测时氧焊割开上口，测管内注满清水作为声耦合剂。现场的检测按照规范要求进行，测点间距为 230mm。检测方法有平测、斜测、交叉斜测和扇形扫测等 5 种。一般先采用平测法对整个桩身各个检测剖面进行普查，找出声学检测异常点;然后对异常点处采用加密平测、斜测、交叉斜测或扇形扫测等细测方法进一步检测，为桩身判别提供可靠的依据(见图 3)。
3 灌注桩缺陷判定
声脉冲穿过混凝土后，被接收换能器所接收，该接收信号带有混凝土内部的许多信息，如何把这些信息分析出来，予以定量化，并建立这些物理量与混凝土内部缺陷的定量关系[4]，从而对桩的完整性、连续性等做出判断，是超声检测的关键问题。目前，常用桩的缺陷判断方法可分为两类[5]。第一类为数值判据法，即根据测试值，经适当的数学处理后，得出一个简明且能判定缺陷存在与否的量值，以该量值作为缺陷判断的依据。为此，必须在所测定的声参数和存在缺陷的可能性之间建立合理的数学或物理模型，以便找出适当的判据形式。常用的判据主要有声速值判据、波幅判据、PSD 判据等。第
二类为声场区重叠法，即声阴影重叠法。
3.1 数值判据法
1)概率法：该方法是利用数理统计学原理，采用声时平均值 μt与声时 2 倍标准差 σt之和作为判定桩身有无缺陷的临界值，并按下列公式计算：
式中：n 为测点数，cit 为混凝土中第 i 测点声波传播时间，tμ 为声时平均值，tσ 为声时标准差。若某点的声时值 2i t tt > μ + σ，则该点混凝土有缺陷。该方法是一种相对比较的方法，它还存在着一些理论上的问题，受一些条件的制约，如混凝土需均匀、各测点数值符合正态分布等，所以在进行异常点鉴别和缺陷判断时，应结合测点的其他声学参数。
2)PSD 判据法：该方法由河南省公路管理局与湖南大学土木系于 1984 年为确保郑州黄河大桥桩基质量而进行研究得出的一种较为准确的判断方法[6]。该方法认为缺陷处波速明显变小，即声时明显变大，与相邻正常测点对比，形成一突变。PSD 判据即为声时-深度曲线相邻测点的斜率 K 与相邻两测点声时差 Δt 的乘积。
式中：it 为第 i 个测点声时值(μs)，i1t为第 i-1 个测点声时值(μs)，iz 为第 i 个测点深度(m)，i1z为第 i-1 个测点深度(m)。当 PSD 值在某测点附近明显变化时，应将它作为可疑缺陷区。PSD 法突出了声时的变化，对缺陷较为敏感，但当缺陷缓变时，容易漏判。
3)波幅判据法：接收波的首波波幅是判定混凝土灌注桩有无缺陷的重要参数，声波穿过有缺陷混凝土时，声能会衰减，而首波波幅对缺陷比波速更敏感。在规范中采用接收信号首波能量平均值的一半作为判断缺陷临界值的标准，公式如下：
当i DA < A时，则该测点有缺陷，但由于混凝土波幅波动本身较大，所以该判断方法也需结合其他参数分析判断。
3.2 声场区重叠法
声场区重叠法，就是当超声脉冲束穿过桩体并遇到缺陷时，在缺陷背面的声强减弱，形成一个声辐射阴影区，在阴影区内，接收信号波幅明显下降，同时声时值增大，甚至波形发生畸变。若采用两个方向检测，分别划出阴影区，则两个阴影区边界线交叉重叠所围成的区域，即为缺陷的范围。该法直观明确，但测量必须细致，效率较低，通常用于在数值判据法确定缺陷位置后的细测判断[7]，以便在数值判断后，仔细测量缺陷的位置、大小和性质。
图 4 11-2 号桩深度-声时、幅值、PSD 判据关系曲线图
4 工程实例
该工程采用的钻孔灌注桩桩径为 1.5m，有效桩长为 28～42m 不等，承载类型属摩擦桩。混凝土强度等级为 C30。检测中严格执行《建筑基桩检测技术规范》中有关规定，首先采用平测法对全桩各个检测剖面进行普查，找出声学参数异常的测点，然后，对声学参数异常的测点采用加密平行检测、交叉斜测等方法进一步细测，以便更为准确地确定异常部位的范围、大小等，为桩身完整性类别的判定提供可靠的依据。本文仅对该工程完好桩 11-2、缺陷桩 2-1 进行结果对比分析。11-2 号桩缺陷临界值(概率法)：砂砾夹层，1-2 号测管为 156，1-3 号测管为 195，2-3号测管 165;泥砂夹层，1-2 号测管为 1531，1-3 号测管为 1921，2-3 号测管为 1625。整桩混凝土平均声速为 4478m/s，声速均方差 Sv为 249.21，声速离散系数 Cv为 0.0558，首波均值-6 等于 66。深度-声时、幅值、PSD
从图 4 中可以看出，沿桩长声时均匀，曲线有序，PSD 无明显变化，表明该桩混凝土质量优，属 I 类桩。图 5 为 2-1 号桩深度-声时、幅值、PSD 判据关系曲线图，由图可以看出，该桩在29.0～30.0m 处 3 个面都有不同程度的正弦波迅速后移，声时猛然增大，波幅骤然减小，尤其是在 29.5m 处几乎找不到首波，反复几次都是如此，PSD 明显变化，故判断 29.0～30.0m处该桩混凝土有严重缺陷。为了更清楚知道缺陷的严重程度，对 26.0～32.0m(把缺陷完全包括进去)段进行了细测。以 1-2 面为例，细测的主要内容如下：两探头同时放到 26.0m处，首先对 1-2 面进行加密平测，平测间隔为 20cm(图 6)，然后再进行两次斜测，分别以1#测管中探头不变，把 2#测管中探头向上提 60cm 和下放 60cm，再分别以 20cm 为间隔下放。3 次采集数据缺陷位置重叠处，即为 1-2 面之间缺陷部位，同样步骤，分别把 2-3、1-3 面缺陷表示出来，运用声阴影重叠法综合到断面上，得到最终缺陷大小及位置。缺陷图形见图 7(图中实线为正常测线，虚线为异常测线)。
通过调阅施工单位的原始记录和监理日记，发现该桩在灌注至 29m 处，卡管无法继续灌注，拔管发现管内有 3m 长混凝土离析造成堵管，清洗后重新压浆灌注，中间停留一个多小时。查明缺陷后，施工单位会同设计单位、检测单位、监理单位共同制定了桩基缺陷补强措施，决定采用压力注浆方法。在该桩声测管连线中点垂直向外 10cm 处及桩中心点布置4 个 φ=50mm 钻孔，用潜风钻钻至缺陷面后，再入好混凝土 30cm 止，详细记录钻进过程。在钻至该桩 29m 处，钻机进尺突变，骤然加快，至 29.5m 处，钻机进尺又重新正常。4 个钻孔情况基本一致，中心孔缺陷位置稍微靠下，缺陷大小位置与声测结果完全相符。4 个钻孔终孔后，采取压力注浆进行补强，7 天后采用超声波和低应变检测法分别对该桩进行了重新检测，补强后的桩基础满足设计要求。
5 结束语
采用超声波检测的方法对灌注桩桩的质量进行检测，具有快捷、准确和可靠等特点，并能评价钻孔灌注桩的均匀性、完整性、缺陷的位置与性质等优点。但在实际检测评价中应注意综合运用多参数检测，并结合地质、施工等多因素对桩基质量进行分析评价，从而才能更准确判断出缺陷性质、位置和范围。
参考文献
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作者简介：殷建武(1972-)，男，1995 年 7 月毕业于东华理工学院(原华东地质学院)应用地球物理系勘查地球物理专业，河南省核工业地质局物探工程师，主要从事工程物探检测、地质勘查找
