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1、混凝土灌注桩超声检测概 述由于灌注桩可做成大直径桩，以提高单桩承载力，又可以根据桩身内力状态分段配筋。而且施工时对周围建筑物影响较小，施工噪声也较小，因而使用较广。但灌注桩在工地条件下，现场灌注成桩，施工工艺较为复杂，影响灌注质量的因素较多，极易形成各种缺陷而影响桩身的完整性。据统计，现场灌注桩施工中桩身混凝土出现缺陷的概率约为 15%20%。灌注桩的综合质量体现在以下三方面，即承载力、桩的完整性、桩的耐久性，其中承载力因桩体较大用无损方法难以准确测量，而当地下无明显腐蚀性介质而且桩身完整时也未见有因耐久性破坏的报导。所以，完整性是混凝土灌注桩质量的主要指标。所谓灌注桩的完整性是指桩身混凝土质
2、量均匀，无全断面断裂及影响断面承载面积或导致钢筋外露的明显缺陷。混凝土灌注桩的完整性的超声检测方法作一简单介绍。其基本技术依据是基桩低应变动力检测规程(JGJ/T9395)、 超声法检测混凝土缺陷技术规程 (CECS 21:2000)以及大量研究资料。超声脉冲法则是通过在桩内预埋的检测孔道，将超声换能器直接放人桩内部，逐点发射和接收超声脉冲，通过接收信号的声时、波幅、波形等参数，逐点判断混凝土的质量，并分析缺陷向位置、性质和大小。超声脉冲法需预埋检测管，因此必须在设计或施工前即列入计划，增加了工程量，但由于它比较直观，可靠，在一些重大工程及大直径灌注桩中得到广泛应用。本章将详细论述超声脉冲法的
3、原理，检测方法和判断方法。灌注桩的常见缺陷桩身混凝土中的缺陷与施工方法密切相关。不同施工方法出现缺陷的类型以及不同类型的缺陷出现的几率都不一样。按混凝土的灌注方式而言，灌注桩可分为水下灌注和干孔灌注两类。1. 水下灌注桩的常见缺陷（图 1a)为水下灌注的成桩过程示意图，混凝土通过导管注入，顶托封口混凝土或砂浆，排出孔中的水，逐渐灌满桩孔。水下灌注施工时，可能出现的缺陷有以下几种(见图 1b)：1）.断桩(包括全断面夹泥或夹砂 )这类缺陷多半因为导管提升时不慎冒口，新注入的混凝土压在封口砂浆及泥浆上，以及因机械故障而停止灌注过久，提升导管时把已初凝的混凝土拉松，或继续施工时对表面未加清理等原因所
4、致。断桩部位往往不是一个薄层，而是具有相当厚度的一个缺陷段，检测时不难发现。断桩严重影响桩的承载能力，检测时不应漏检或误判。断桩对承载力的影响程度与其出现的位置有关，应按桩的受力状态分析，但断桩均应采取适当措施修理或加固。2）.局部截面夹泥或颈缩这类缺陷一般是由于混凝土导管插入深度不适当，导致混凝土从导管流出往上顶托时，形成湍流或翻腾，使孔壁剥落或坍塌，形成局部断面夹泥或周边环状夹泥。局部截面夹泥或颈缩将影响桩的承载面积，同时由于钢筋外露而影响耐久性，对这类缺陷检测时应仅可能检出其面积大小，以便核算桩的承载能力。 3）.分散性泥团及“蜂窝”状缺陷其成因与孔壁因混凝土骚动而剥落有关外，还与混凝土
5、离析及导管中被压人的气体无法完全排出有关。这类缺陷将影响混凝土的强度，若分散性泥团或气孔数量不多，影响面积不大，则对混凝土强度的影响有限，可不予处理。4）.集中性气孔当导管埋人厚度较深，混凝土流动性不足时，间息倒人导管的混凝土会将导管中气体压人混凝土中而无法排出，有时会形成较大的集中性气孔，将影响断面受力面积。5）.桩底沉渣在灌注前应彻底清孔，若清孔不净，则导致桩底沉渣。对端承桩而言，桩底沉渣过厚会导致桩受力时沉降位移，因此，应进行桩底压浆处理。6）.桩头混凝土低强区在混凝土灌注过程中，封口混凝土或砂浆与水接触，在顶托过程中会混入泥水，因而强度较低，灌注完成后应将其铲除，若未彻底铲除，则形成桩
6、顶低强区。图 1 水下灌注桩的灌注方法及常见缺陷示意图a)水下灌注桩的灌注方法示意图； b)水下灌注桩常见缺陷示意图在桥梁桩中，桩顶低强区非但影响承载力，而且当河床变化时很容易被水流冲刷和腐蚀。由于桩顶一般均已露出地面，可用多种方法对混凝土强度进行检测，所以其检测值也可作为全桩混凝土强度超声推算值的校验值。2.干孔灌注桩的常见缺陷图 2a)为干孔灌注时的成桩过程示意图。混凝土通过升降机或溜管送到浇筑面。干孔灌注时可能出现的常见缺陷有以下几种：1）.混凝土层状离析或断桩在地下水位较高的地区，常因地下水涌人孔中来不及抽干，浇人的混凝土被水冲刷或浸包，形成层状离析，严重时砂石成层状堆积，水泥浆上浮，
7、形成断桩。2）.局部夹泥或“蜂窝” 状缺陷干孔灌注时常因孔壁护筒渗漏，涌人泥水而形成局部夹泥，或灌注时未予捣实，形成“蜂窝”状缺陷。3）.局部严重离析由于混凝土注入高度超过施工规定，往往形成石子滚到边缘的离析现象，此时，石子集中区易形成“蜂窝”，而砂浆集中区因声速下降而被误判。4）.桩底沉渣操作工未清孔即浇人混凝土，形成桩底沉渣。图 2 干孔灌注及常见缺陷示意图a)干孔灌注过程示意图； b)干孔灌注时可能形成的常见缺陷桩的完整性分类为了便于判断，超声法检测混凝土缺陷规程（CECS21:2000）将灌注桩的质量按其缺陷的多少及严重程度分为4类，分类方法见表1桩身完整性评价分类表 表1类 别 缺陷
8、特征 完整性评定结果I 无缺陷 完整，合格 局部小缺陷 基本完整，合格III 局部严重缺陷 局部不完整，不合格，经工程处理后可使用IV 断桩等严重缺陷 严重不完整，不合格，报废或验证确定是否加固使用混凝土灌注桩超声检测的原理与方法混凝土灌注桩超声检测法是在桩内预埋若干根平行于桩的纵轴的声测管道，将超声探头通过声测管直接伸人桩身混凝土内部进行逐点，逐段探测。其基本原理与上部结构构件的超声探伤原理相同，即根据超声脉冲穿越被测混凝土时传播时间、传播速度及能量的变化反映缺陷的存在，并估算混凝土的抗压强度和质量均匀性。但由于桩的混凝土灌注条件与上部结构的成型条件完全不同，尤其是水下灌注时差异更大，混凝土
9、的配合比、灌注后的离析程度、声测管的平行度等许多因素，都会严重影响对缺陷的判断和对强度及均匀性的推算，因此，灌注桩的超声检测必须有一套适合其特点的方法和判据，而不能完全延用上部结构检测的现有方法。一、灌注桩超声检测法的检测方法和基本检测参量灌柱桩的超声检测法检测方式通常采用双孔检测。在桩内预埋两根以上的管道，把发射探头和接收探头分别置于两根管道中(如图 3 所示) ，检测时超声脉冲穿过两管道之间的混凝土这种检测方式的实际有效范围，即为超声脉冲人发射探头到接收探头所穿过的范围。随着两探头沿桩的纵轴方向同步升降，使超声脉冲扫过桩的整个纵剖面，从而可得到各项声参数沿桩的纵剖面的变化数据。由于实测时是
10、沿纵剖面逐点移动换能器、逐点测读各项声参数，测点间距一般采用 2040cm，若遇到缺陷可疑区，应加密测点。为了避免水平断缝被漏测，可采用斜测方法，即两探头之间有一定高差，其水平测角可取 30o40o；若采用自动提拉设备，测点距离可视提拉速度及数据采集速度而定。双孔测量时，根据两探头相对高程的变化，可分为平测、斜测扇形扫测等方式，如图 3 所示，在检测时视实际需要灵活运用。图 3 双孔检测方式a)双孔平测；b)双孔斜测；c)扇形扫测1-声测管；2-超声检测仪；3- 发射探头； 4-小接收探头判断缺陷的基本物理参量:1、声时或声速。即超声脉冲穿过混凝土所需的时间。如果两声测管基本平行，则当混凝土质
11、量均匀、没有内部缺陷时，在各横截面所测得的声时值基本相同；但当存在缺陷时，由于缺陷区的泥、水、空气等内含物的声速远小于完好混凝土的声速，所以穿越时间明显增大，而且当缺陷中物质的声阻抗与混凝土的声阻抗不同时，界面透过率很小，根据惠更斯原理，声波将绕过缺陷继续传播，波线呈折线状。由于绕行声程比直达声程长，因此，声时值也相应增大。可见，声时值是缺陷的重要判断参数。声时值可用仪器精确测量，通常以微秒( )计。为了使声时值沿桩的纵剖面的变化状况形象直s观，在检测中常把检测结果绘成“声时深度”曲线。超声脉冲传播单位声程所需要的声时即为声速。因此，也可将声时值变换成声速值作为判断的依据。2、接收信号的幅值。
12、它是超声脉冲穿过混凝土后的衰减程度的指标之一。接收波幅值越低，混凝土对超声脉冲的衰减就越大。根据混凝土中超声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，将产生吸收衰减和散射衰减，使接收波波幅明显下降，从而在缺陷背后形成一个声阴影。幅值可直接在接收波上观察测量，也可用仪器中的衰减器测量，测量时通常以首波(即接收信号的前面半个或一个周期 )的波幅为准，后继的波往往受其他叠加波的干扰，影响测量结果。幅值的测量受换能器与试体耦合条件的严重影响，在灌注桩检测中，换能器在声测管中通过水进行耦合，一般比较稳定，但要注意使探头在管中处于居中位置，为此应在探头上安装定位器。幅值或
13、衰减与混凝土质量紧密相关，它对缺陷区的反应比声时值更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一，是采用声阴影法进行缺陷区细测定位的基本依据。3、接收频率。超声脉冲是复频波，具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后，各频率成分的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而导致接收信号的主频率向低频端漂移。其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。所以，接收频率实质上是衰减值的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收频率降低。接收频率的测量一般以首波第一个周期为准，可直接在接收波的示波图形上作简易测量。近年来，为了更准确地测量频率的变化规律，已采用频谱分析的方法。它获得的频谱所包含的信息比采用简易方
14、法时接收波首波频率所带的信息更为丰富，更为准确。在频域图上可准确地找到主频值，以及对应主频的幅值，若有发射信号的频谱资料，则可准确给出主频向低频端的漂移值。运用频谱分析时还应注意采样速率及截取长度等对频谱分析结果的影响，以便使各测点间分析结果具有可比性。4、接收波波形。由于超声脉冲在缺陷界面的反射和折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波型转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，当超声脉冲在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变。所以，波形畸变可作为判断缺陷的参考依据。必须指
15、出，波形畸变的原因很多，某些非缺陷因素也会导致波形畸变，运用时应慎重分析。目前波形畸变尚无定量指标，而只是经验性的。关于波形畸变后采取怎样的分析技术，还有待进一步研究。判断灌注桩混凝土强度等级及均匀性的物理参量:目前用于桩内混凝土强度等级及均匀性评价的物理参量主要有声速、衰减以及由它们推定的强度的统计参数。1、声速。混凝土声速与强度有良好的相关性，所以可以用声速值推定混凝土的强度等级。但声速与强度的相关性受许多因素的影响，例如不同配合比的混凝土往往有不同的“声速强度”相关公式，所以，通常针对一定配合比和原材料条件的混凝土，并事先制成“声速强度”校准曲线，或事先通过试验求得两者的相关公式，在检测
16、中作为推定强度的依据。2、衰减值。由于“声速强度”相关关系受配合比等许多因素的影响，灌注水下混凝土时，如果产生离析等现象，那么部分混凝土的实际配合比将与设计配合比有很大差别。这时用一种相同的“声速强度”相关公式去推定强度误差往往较大。为此，可采用“声速衰减强度”综合法。该法可排除离析的影响，因而可提高强度的推定精确度。用于推定强度时，衰减值应准确测量，并应排除耦合条件等因素的影响。3、推定强度的统计参数。为了评定桩的混凝土均匀性，以便评价施工质量，可将推定强度的平均值、标准差和不低于设计强度等级的百分率分别求出，并参照混凝土强度检测评定标准(CBJl0787)进行评定。二、灌注桩超声检测法的检测装置灌注桩超声检测法的检测装置主要由超声探头、超声仪、探头升降装置及桩内预埋的声测 管等组成。(一)对检测装置的基本要求1探头测桩所用的探头应是柱状径向振动的换能器，其主频宜为(25-50)kHz，长度宜小于 20cm。为提高接收换能器的灵敏度，可在换
