混凝土灌注桩超声检测

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1、混凝土灌注桩超声检测概 述一、关于灌注桩完整性的概念 桩是构筑物基础中的柱状构件。它的作用在于穿过软弱的可压缩性土层，把来自上部结构荷载传递到更密实、更坚硬、可压缩性较小的土壤或岩石上。桩在工作时要承受上部结构的垂直轴向荷载，还要承受上部结构因风力、水流、撞击等横向推力所引起的侧向荷载或弯矩，以及在地震状态下的复杂应力。因此，桩的质量将对整个结构物的安全起决定性作用。 桩的种类很多，混凝土灌注桩是常用的基桩型式之一。 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

2、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。据研究，混凝土灌注桩完整性不合格的概率高于承载力不合格的概率。换而言之，在设计无误的前提下，完整性合格的桩，承载力一般都能满足要求。而承载力合

3、格的桩，完整性不一定能满足要求，其耐久性也不一定能满足要求。 本章仅就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。二、灌注桩的常见缺陷为了对混凝土灌注桩的超声检测方法有一个较全面的认识，以便对检测结果做出正确的判断，每一位检测工作者都必须对灌注桩的受力状态、施工特点及缺陷的类型和成因及其危害有所了解。 按承载方式，灌注桩可分为端承桩和摩擦桩两类。端承桩将上部压应力通过桩身传人基岩，而磨擦桩则靠桩壁与土层的摩擦力，将上部压应力逐渐分散传给土层。因此，这两种桩

4、中，由于桩身各部位应力的不同，缺陷出现的部位对它的危害是不一样的。例如，桩顶的低强区对两种桩都很有害，而桩底沉渣则对端承桩更为有害。 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。 (一) 水下灌注桩的常见缺陷 图8-1a)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8，1b)：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

5、，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，

6、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

7、，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。(二)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

8、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，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三、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

9、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四、检测桩基完整性的主要方法针对不同的桩基类型及检测目的，目前已有许多种检测方法可供选择，这些方法大体上可分为四类：即静荷载试验法，直观检查法(包括开挖检查，勘探孔检查法)，辐射能检测法(包括超声脉冲法及放射性元素能量衰减或散射法)，动力检验法(包括高应变法和低应变法)。其中常用于桩身完整性检测的方法主要有：钻芯法、超声脉冲法

10、及低应变动力法的反射波法。 钻芯法是利用工程地质钻机在桩身混凝土中钻一竖向勘探孔，可取出芯样观察和检测不同高程混凝土的质量状况，也可依靠仔细地监视钻进速率和水中带出的钻渣的颜色和成分来判别混凝土质量。钻芯法虽然直观可靠，但价格昂贵、工程量大，一般不使用。 反射波法是根据桩头受到一次竖向冲击后，冲击波在桩身混凝土中向下传播时，遇到缺陷内界面或桩的底面发生反射而返回桩顶的时间、相位、幅值、频率等来判断缺陷的类型、位置的种方法。该法也可对桩长进行核对，根据波的传播速度对混凝土强度做出总体的粗略估计。该法由于简便易行、使用较广，但它主要依靠反射波进行间接判断。信号较弱或遇到多个缺陷时，容易造成误判。

11、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原理，检测方法和判断方法。 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

12、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n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。 作者于1982年开始，结合郑州黄河大桥大直径灌注桩的实测需要，在国内首先开展了该页技术的研究，提出了一整套检测方法、设备要求、判断方法及PSD数值判据和计算机软件，填补了我国在该领域的一项空白，尤其是PSD数值判据的提出，

13、改变了国外仅作波形经验判断的方法，为判断智能化打下了基础。此后，这一方法获得广泛推广应用，并已纳入有关规范。一、灌注桩超声检测法的检测方式和基本检测参量 (一) 检测方式 灌柱桩的超声检测法检测方式有三种，即双孔检测、单孔检测和桩外孔检测： 1、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8-3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。由于实测时是沿纵剖面逐点移动换能器、逐点测读

14、各项声参数，因此，测点间距应视要求而定。通常当用手动提拉探头时，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。 为了扩大桩的横截面上的有效检测控制面积，必须使声测管的布置合理。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 2、单孔检测 在某些特殊情况下(

15、例如，在钻孔取芯后)需进一步了解芯样周围混凝土的质量，以扩大钻探检测的观察范围。这时，只有一个孔道可供检测使用，可采用单孔测量方式(如图4所示)。单孔检测方式需专用的一发两收探头，即把一个发射压电体和两个接收压电体装在一个探头内，中间以隔声体隔离。声波从发射振子发出经耦合水穿过混凝土表层，再经耦合水到在上下两个接收压电体，从而测出声脉冲沿孔壁混凝土传播时的各项声参数。 运用这一检测方式时，必须运用信号分析技术，以排除管中的混响干扰以及各种反射信号叠加的影响。当孔道中有钢质套管时，由于钢管影响超声波在孔壁混凝土中的绕行，故不能使用此法检测。 一般认为，单孔检测时的有效检测范围，约为一个波长的深度。图4单孔检测方式1-超声仪；2-一发双收探头3、桩外孔检测 当桩的上部结构已施工，或桩内未预埋声测管时，可在桩外的土层中钻一孔作为检测通道(图8-5)。由于超声在土中衰减很快，因此桩外的孔应尽量靠近桩身，使土层较薄。检测时在桩顶上放置一发射功率较强的低频平探头，沿桩的纵轴向下发射声脉冲，接收探头从桩外孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩身混凝土向