超声波法在南昆线八渡滑坡抗滑桩检测中的应用

一、前言
混凝土灌注桩是高层建筑、桥梁等工程结构中常用的基础类型。随着现代大型建筑的增多，桩型越来越大，使得常规检测手段如静压法、低应变法等实施困难，甚至无法进行。如何加强对混凝土灌注桩成桩质量的监控和检测，成为当今建筑工程中的重要问题。
本文结合南昆线八渡滑坡抗滑桩（挖孔灌注桩）超声波检测的实例，阐述了超声波法在重大工程项目基桩检测中的效果。

二、滑坡及整治工程概况
八渡车站滑坡由南昆线八渡车站附近的2＃、3＃、4＃山头组成，是一巨型切层古滑坡，其前缘直接延伸至南盘江边，滑坡长约550m，宽度400m。
1997年雨季连降暴雨，雨水大量下渗，线路左侧主体滑坡出现裂缝，古滑坡复活，威胁铁路安全。
为彻底根治滑坡，整治工程采取了设置预应力锚索桩、抗滑桩、泄水洞、截水沟等工程措施。其中，线路左侧滑坡的中、前部设置了两排共计113根预应力锚索桩，桩长23～55m，桩间距7m，桩截面2～2.5×2.5～4m，桩锚入滑面以下岩层的长度10～14m。这部分桩是抽检的对象。
锚索桩周围的岩层自上而下主要有四类：1.人工弃填土；2.砂粘士夹碎块石；3.碎块石土；4.砂岩、泥岩。其中，1～3组成滑体，4为滑床岩层。
锚索桩成桩采用挖土灌注法，桩顶以下30m内土层均设有0.3～0.4m厚的护壁。桩身加筋，用最大粒径小于50mm的级配碎石砼连续灌注，并分层捣固密实成桩。

三、理论基础
1．超声波在砼介质中的传播规律
超声波是频率在2×104Hz～1010Hz之间的声波。声波是一种纵波，它在无吸收的无限大均匀介质中的传播可用下面的方程来表示：

式中，A－振幅；ω－角频率；y－表示在波线上任一位置（距原点距离为X）的质点在任一瞬时沿波传播方向上的位移。
各种声波的频率范围
次声波 可闻声波 超声波 特超声波
0～20Hz 20～20000Hz 20000～1010Hz ＞1010Hz
声波在传播过程中，充满声波的空间称为声场。声场具有以下两个主要特征量：
①声压P
声场中某一点在某一瞬间所具有的压强P1和没有声场存在时同一点的静态压强P0之差称为声压P，单位为帕Pa＝N／㎡，其公式为：

式中，Z为声阻抗（ρ＊v）；ρ为介质密度；Va为介质质点振动速度
②声强J
声强指在垂直于声波传播方向上单位面积在
单位时间内通过的声能量。
声强满足如下关系式：

声压与角频率成正比，声强与角频率的平方
成正比，超声波的频率大于可闻声波，其声压、
声强远大于可闻声波，这是超声波能用于检测的
原因。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，要
产生反射波和透射波。
图3－1为声波垂直入射单一界面时的传播示意图，界面两侧满足下列边界条件：①两侧声压相等，即P0＋Pr＝Pd②两侧质点振动速度的幅值相等，即Va1=Va2。利用前面推导的公式及边界条件，可求出声强的反射系数α和透射系数β：
α=(Z2-Z1)2／(Z2+Z1)2
β=4Z1Z2／(Z1+Z2)2
当Z1＞＞Z2或Z1＜＜Z2时，α趋于1，β趋于0，说明当两侧介质声阻抗差异过大时，入射波能量将被全部反射回原来的介质中，不发生透射。
2．测试参数
混凝土是由多种材料配制而成的非均质材料，当其组成材料、施工工艺、内部质量及测试距离一定时，超声波在其中传播的速度、首波幅度和频率等声学参数的测量值应基本一致，波形稳定。如果某部分混凝土存在空洞、不密实区等缺陷，便破坏了混凝土的整体性，其中空气所占的体积比例相应增大，而空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，超声波在“固－气”界面上几乎产生全反向，绕过或穿过缺陷区的部分超声波到达接收探头时，声时值偏大，首波幅度和频率降低，波形发生变化。超声波检测混凝土质量正是基于这一性质，通过分析接收到的超声波的声时值、首波幅度、频率和波形，推断混凝土质量。

四、测试方法
测试方法采用对测法。如图4－1，将超声波发射探头F和接收探头S分别置于两根声测管的同一深度处，超声检测仪经信号电缆由发射探头F发射超声波，超声波穿过桩身混凝土后，到达接收探头S，并经信号电缆由超声检测仪记录和存储。之后，按20cm点距同步提升发射探头F和接收探头S，检测另一深度处的混凝土质量。
测试前需做如下准备工作：
1．声测管的埋设
测试选用声测管为镀锌铁管，管与管之间用管箍连接，管口磨去毛刺，在接口处缠防水胶带。因桩长大，声测管难以作到两两平行且铅直，因此要对变化较大的桩段做好记录。
如图5－1，声测管绑扎在各孔壁的1／3处，以防止超声波沿两声测管之间的箍筋传播。
2．声零时的标定
仪器测读时间t1并非超声波在混凝土中的传播时间t。t1中除包含t外，尚包含以下几部分。①电延迟时间；②电声转换时间；③声延迟；④声波在声测管内部水中传播时间；⑤声波通过声测管壁的时间。这些时间的和统称t0，计算波速的声时值要减t0值。
t0时标定采用两段声测管截留部分，分别置入发射和接收探头，采用对测方法，在水中标定。标定距离自10cm起，按10cm递增，至1.5m止。按声时～距离曲线求出t0值。

五、资料分析与整理
事先分析造成抗滑桩桩身混凝土缺陷的原因主要有以下三种可能：（1）灌注过程中混入自孔壁坍落的泥、砂。（2）灌注过程因故中途停止，造成二次浇注，形成结合面。（3）振捣不实。
超声波通过缺陷部位进，各声测参数分别发生如下变化：
1．声速降低：当桩身混凝土部存蜂窝、孔洞等缺陷时，缺陷处声阻抗值明显地低于正常混凝土的声阻抗值。超声波要穿过缺陷或绕过缺陷到达接收探头，致使声时值增大，声速降低。
在本工地中，靠山一侧声测管在绑扎过程中，由于桩身设计主筋用料原因，造成该声测管与其余声测管之间距离沿桩身不等，速度－深度曲线出现异常。对于异常数据结合声测管埋设情况加以修正，并根据其余声测参数的变化确定是否存在缺陷。
2．首波幅度下降：当超声波穿过缺陷时，部分声能被缺陷内含物质所吸收，部分声能被缺陷的不规则表面反射或散射，到达接收探头的信号声能明显减少，反映为首波波幅降低。
3．首波频率下降：当超声波穿过缺陷区时，其中的高频成分首先衰减，导致接收信号主频下降，其下降程度与缺陷严重程度有关。
4．波形畸变：由于缺陷区的存在，部分超声波被多次反射而滞后到达接收探头。这些波的前锋到达接收探头的时间不同，相位也不同。叠加后造成接收波形畸变，缺陷严重的可导致波形无法判识。
基于上述指导思想，依据“灌注桩桩身质量分类标准（GBJ107－87）”，确定桩质量类别：
（1）A类、B类桩：
A类桩声速大于4120m／s，B类桩声速在3000m／s和4120 m／s之间，两类桩均个有波形清晰完整，声时、波幅变化的特点。
（2）C类桩：
声速在2750 m／s和3000 m／s之间，桩身存在异常段，异常段声时变大，波形较为完整，能清楚判别初至时，频率降低，波幅变化较大。
该类桩在异常段混凝土灌注质量不好，存在离析现象，但其波形完整、声时可以判读，说明混凝土尚具备一定强度。
（3）D类桩
声速低于2750 m／s，桩中部或下部存在异常段，信号衰减严重，波形不可辨别，声时不可判读。D类桩为不合格桩。

对桩身完整性的定量解释采用声速判据、声幅判据、K·Δt判据（相邻两点时－深曲线的斜率与声时差的乘积）三种判据综合分析。
图6－2给出了某桩的三种判据曲线，可以看出桩中，下部存在两处较大缺陷。

六、结论
基桩是地下隐蔽工程，超声波测桩是在混凝土构件测缺技术上发展起来的一门技术。在八渡滑坡抗滑桩及上海市延安中路高架工程桩基等项目的检测过程中，可以看出声测管是桩基检测的重要组成部分，它的埋置方式和布置形式，直接影响检测结果。下表给出了不同情况下声参数的变化规律。

由上表可以看出，声参数对外界影响非常敏感。灌注桩测试过程中不可能象外部构测试那样随意调整探头位置和测试部位，以达到最佳效果。因此，在对灌注桩测试数据进行定量分析时，应在综合考虑各声参数的前提下，结合声测管埋设情况，对测试数据加以修正，不能将波速作为起决定作用的参数。
现在桩基检测方法众多，通过超声波法在八渡滑坡抗滑桩及上海市延安中路高架工程桩基等项目的检测效果可以看出，该方法具有快捷、覆盖面大、定量解释准确等优点，就大型灌注桩桩身质量检测即检测混凝土的连续性、均匀性而言，超声波法是最直观、可靠的一种检测的方法。

关于灌注混凝土桩声波透射法的判据问题
赵学勐

一问题的提出
在声波检测工作中，经常遇到委托单位同时提出两项任务的情况，一是要求检测桩身结构完整性，二是对桩身混凝土强度进行推算。但是由于认识上的原因和技术的难度，检测单位和其管理部门往往只接受完整性的声波检测任务，而拒绝接受桩身结构的材料强度测试项目。为了保证工程不留隐患，检测人员做些严谨的研究总结，以使检测技术有所前进，是完全有必要的。

二声波透射法完整性检测判据的发展
用于声波透射法的物理量有声速（声时），波幅（波幅衰减值）和频率（由波形变换而得）等三项，目前常用的方法多是其中单独一项且多为声时，其他则仅作为解释声时曲线的辅助参量，如概率法，PSD判据皆是如此。
鉴于波幅（波幅衰减值）对混凝土缺陷区的反映比声速更为敏感，而且接收到的信号的频谱又是其衰减的一个特征，所以将以上两项或三项物理量加以综合，能较全面地反映构成混凝土特性的各种因素，并且能抵销部分影响因素，从而可以提高检测的灵敏性和可靠性。
NFP判据是将各测点的声速，波幅，频率值除以所测桩的全部测点中相应的最大值，分别得到相对值，将对应点的三个乘数相乘，得到一个新的样本。然后分析此综合样本的概率分布函数，并对样本中的异常值作出判断，NFPi＜1，表示该点有缺陷。NFP值越小，则缺陷越严重。
逆概率法是仅将各测点的声时和振幅这两个数据，作同步相关处理，得到综合异常曲线，对此曲线进行一次求导计算后，再进行逆概率法分析，如Pi≥0.5，表示该点存在异常。Pi越大，缺陷范围也大。
计算机的应用，给繁杂的数据计算提供了方便。为了使这类计算更加有效和判断更加准确，考虑给各物理量以适当的加权数则是有意义的问题。另外，频谱是由波形经过变换而来。这个变换涉及到时域样本截取长度，采样时间间隔的大小，以及窗函数形状，如果处理不好，反而会增加误差。
声波透射法检测钻孔桩质量的技术规程于1995年12月颁布，它起到了提高检测质量的作用。作者经过几年的实践，特别是在不断地用钻孔取芯法对检测结果进行验证后，对判据的适用性，可靠性又有了一些认识。
首先是，以声速的离差系数
定出的均匀性级别，对分辨桩身有无缺陷似不够灵敏。
按规定，A级：0，0≤ε＜0，050；C级：0，10≤ε＜1，15；
B级：0，05≤ε＜0，10；D级：0，15≤ε＜1，00；
但是实际情况却是不论桩完整与否，离差系数都为A，B级。
表1检测桩的离差系数
工程项目 桩号 离差系数 芯样完整性
多层建筑(三根声测管) 27322 0.036 0.028 0.0330.024 0.045 0.0550.109 0.067 0.088 完整完整有几处破碎
特高层建筑(四根声测管) 21665414549 0.048 0.029 0.0870.029 0.038 0.0530.022 0.014 0.0400.016 0.048 0.0130.025 0.036 0.0510.021 0.019 0.0150.045 0.045 0.0360.056 0.020 0.0540.032 0.045 0.0380.039 0.044 0.0260.031 0.044 0.0300.050 0.028 0.036 完整完整有几处破碎有几处破碎有几处破碎有几处破碎
其次是临界值的判断，如仅就单独一条曲线，即声速－深度曲线，或波幅衰减值－深度曲线来分析，则其可疑点的数量就会较多，从而增加了需要作进一步的分析和判读的工作量，当时间紧迫时就会难以做到，但如将这两条曲线并列，并观察其洞桩长的变化，即可明显地看到那些声速最低与波幅衰减最高相对应的点仅剩几个。如附图所示，钻芯证明这些点处都是有缺陷，该处混凝土胶极差，芯样破碎成块状。
此外，在并列的两条曲线上，往往看到同一深度处，声速高，波幅反而衰减大；和声速低，波幅反而衰减小的异常现象，如何解释还有待研究。

三桩身混凝土强度的推算
人们普遍认为混凝土声速与其强度之间呈现正相关关系，但影响混凝土声速的因素很多，诸如粗骨料品种，粒径，配合比，养护条件，含水率，混凝土的龄期，钢筋排列等，如不将这些因素具体地确定下来，则波速和强度之间就没有相关性可言。国外有的建材研究者（Chefdeville）提供的混凝土抗压强度与声速的关系包络图，在同一声速下，抗压强度变化在20MPa上下，这已不是测试结果的波动所造成的。
适用于地面以上建筑构件的超声回弹法的提出，表明针对某一地区或某一工程，将某些主要影响因素（如粗料的品种，用量，含水率，养护条件）固定下来，建立专用的“声速－强度”公式和参数，对于均匀性良好的桩而言是可行的。在以花冈岩碎石为粗骨料的珠江三角洲，人们不断地积累岩芯（试块）的抗压强度和声速的相关数据。如东莞樟洋大桥钻孔桩岩芯，平均抗压强度为18.8MPa（单块最低为17.9MPa），相应的声速为2113，2355，2322m／s；珠海淇澳大桥试块的抗压强度为41.8MPa，声速为4300 m／s；成吉思汗大楼工地的试件，C50，C60，分别对应声速为4500，4700 m／s。桩基工程手册（中国建筑工业出版社，1995年版）表14.4.4介绍了在试验室里做的混凝土抗压强度和声速关系的试验结果，C20对应的声速是3000～3250 m／s。国内有的单位还建立了适用于本地区的R～V相关曲线。这些资料说明：
1．同一条件下，声速越高，混凝土的强度也越高，但有离散性。如声速3600 m／s可以相识破于C25，也可以是C30。
2．混凝土强度大于C35以后，声速和强度的相关性较差，级差也变小。如由C15变成C20，声速可以增加400～500 m／s，而由C35变成C40，声速则仅增加200～300 m／s。作者根据已收集到的对比资料，针对珠海地区的情况，提出了不同强度混凝土的声速变化范围及其特征值，作为参考资料，满足了生产单位的急需。
与地面以上建筑构件的声波测试相比，桩身位于地下，无法进行桩身回弹试验，这是一个不利条件，但有利的是，声速探头与混凝土的耦合条件较好，波幅衰减系数易于测量，为利用声速，衰减系数这两项参数与混凝土强度建立相关关系式提供了可能。但如何考虑声速和衰减系数的加权值是有待研究的另一个问题。随着特大直径桩的日益增多，声波透射法的应用前景极其广阔，提高声波测试技术水平，将具有深远的学术意义和经济价值。