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声波透射法在钻孔灌注桩检测中的应用

作者:魏伟浏览次数: 日期:2014年7月22日 17:04
         近些年在全国范围内,许多地方都出现过桥梁垮塌、民宅倒塌、高楼倾斜下沉等事故。这些事故大都与建筑(构筑)物基础有关。而恰恰钻孔灌注桩是各种基础类型里最常用的一种,是发挥作用最大的一种基础形式,相关部门也开始采取各种措施加强钻孔灌注桩检测了。其中使用最多的就是声波透射法。
        声波透射法是指利用超声波穿透某种介质后取得的各种参数定性介质物品质的方法。伊地集团武汉公司近年施工的钻孔灌注桩项目,基本采用的都是这一方法:
        一、超声波透射法的原理
        超声波测桩技术采用的是纵波分量。声波透射法是利用只有纵波可以在气体和液体介质中传播的特性。若视混凝土介质为弹性体,则声波在混凝土中的传播服从弹性波传播规律,由发射探头发射的声波经水的耦合传到声测管,再通过桩身混凝土介质中传播后,到接收端的声测管,再经水耦合,最后到达接收探头。探头发射的声波会在发射点和接收点之间分别沿不同的路径传播,最终到达接收点。由于混凝土中石子、砂子等粒径大小分布的原因,导致其走时都不尽相同。但在所有的传播路径中总有一条路径,声波走时最短,接收探头接收到该声波时,形成信号波的初始跳动,可视为正常路径。当桩身完整时,可认为该路线就是发射探头和接收探头的直线距离,是已知量;正常路径对应的声时扣除声波在测管、水之间的传播时间以及仪器系统延迟时间,可得声波在两测管间混凝土介质中传播的实际声时,并由此可计算出所对应的波速(速度=距离÷时间)。当桩身存在断裂、离析等缺陷时,破坏了混凝土介质的连续性,使声波的传播路径复杂化,声波将透过或绕过缺陷传播,其传播路径大于直线距离,引起声时的延长,而由此算出的波速将降低(波速=波长×频率)。另外,由于空气和水的声阻抗远小于混凝土的声阻抗,声波在混凝土中传播过程中,遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷时,在缺陷界面发生反射和散射,声能衰减,因此接收信号的波幅明显降低。再者,透过或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差,叠加后互相干扰,导致接收信号的波形发生异常。综上所述,当桩身某一段存在缺陷时,接收到的声波信号会出现波速降低、振幅减少、波形畸变等现象。超声波透射法桩基检测就是根据混凝土声学参数测量值的相对变化,分析、判别其缺陷的位置和范围,评定桩基混凝土质量类别。
        二、超声波透射法基桩检测方法
        按照超声波换能器通道在桩体中的不同的布置方式,超声波透射法基桩检测主要有三种方法: 
       (一)桩内单孔透射法:在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用, 可用此法检测。但技术非常复杂,几乎无人用此法。
       (二)桩外孔透射法 当构筑物的上部结构已施工或桩内没有探头通道时, 可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔作为检测通道, 检测时在桩顶面放置一发射大功率的发射器。此法也不常用。
       (三)桩内跨孔透射法: 此法是一种较成熟可靠的方法, 是超声波透射法检测桩身质量的最主要形式, 其方法是在桩内预埋两根或两根以上的声测管,在管中注满清水,把发射、接收探头分别置于两管道中。检测时超声波由发射器出发穿透两管间混凝土后被接收器接收,实际有效检测范围为声波脉冲从发射器到接收器所扫过的面积。 根据不同的情况, 采用一种或多种测试方法,采集声学参数,根据波形的变化,来判定桩身混凝土强度,判断桩身混凝土质量,跨孔法检测根据两换能器相对高程的变化,又可分为平测、斜测、交叉斜测、扇形扫描测等方式,在检测时视实际需要而论,平测法最为常用。
        三、声测管的安装预埋和管材的选择 
为了使探头能达到检测部位,需预先埋设若干检测通道,因此,在采用超声检测时,必须在灌注混凝土前预埋声测管,混凝土硬化后无法抽出,该管道即成为桩的一部分,也是声通道的一部分,其影响接收信号的分析。而且它在桩的横截面上的布局,决定了检测的有效面积和探头提拉(现在常用无间断提升)次数。由于探头长度限制,一般每次提升高度应在25cm,所以,声测管的预埋是影响检测方式和信号分析判断的基本问题。
      (一)声测管的选择 对声测管的材料要求是:有足够的机械强度, 保证在灌注桩混凝土浇注过程中不会变形;与混凝土粘结良好,不致在声测管和混凝土间产生剥离缝而影响测试。根据这些要求,钢管是最合适的材料。一般规定,声测管的直径通常比径向信号探头的直径大10~20mm 即可。但是,根据经验,由于钢筋笼对接和声测管安装的原因,声测管经常会出现弧曲现象,导致某区段有效通过孔径减小。所以,建议采用内径50~60mm无缝管。管壁越薄越好,但要能承受现场搬用常见的碰撞和现浇混凝土的侧压力而不变形,管壁厚不宜小于3mm。
      (二)声测管的埋置数量和布置方式: 声测管在桩的横截面上的布局应考虑检测控制面积(由于混凝土中粗骨料、细骨料、孔隙率的分布不同,声波在混凝土中发生折射、反射、绕射等现象,声波从发射器透过桩身到接收器时,在桩横截面上经过的区域为“柳叶”状,控制面积是有限的),根据桩径大小预埋超声检测管,桩径d≦800mm时宜埋二根管;桩径 800mm﹤d≦2000mm 时宜埋三根管,按等边三角形布置;桩径为d≧2000mm 时宜埋四根管,按正方形布置。一组声测管之间应保持平行,但在实际施工中,由于钢筋骨架刚度的原因,会造成一定的误差,应尽量控制。 
      (三)声测管的安装:声测管应牢牢固定在钢筋笼内侧,每 2m 间距设一个固定点,和钢筋笼的连接不宜采用焊接方式,宜采用柔性连接,最好采用8字扣绑扎;两根声测管接头宜采用套箍焊接法连接;对于 PVC 管,每 1m 间距设一固定点,应牢固绑扎在架立筋上。对于无钢筋笼的部位,声测管可用钢筋支架固定,声测管应一直埋到桩底,声测管底部应预先封焊死,管的上端应高于桩顶表面(或自然地面) 300~500mm ,声测管封盖之前管内应注满清水;同一根桩的声测管外露高度宜相同,上顶端用螺纹盖、塞或木桩封闭管口,防止异物掉入管内。
        四、声测管的保护和修复
声测管安置、下放、灌注混凝土、破除桩头等过程中,经常发生损坏现象,导致声测桩检失败。
      (一)安装是采用绑扎法,绑扎力度要适中,以免管身变形;焊接时严禁烧伤管身;下放时轻起轻放,严禁快速冲击。
      (二)下放灌注管时避免碰撞钢筋笼和声测管。灌注过程中保持灌注管居于孔位中心,严禁碰撞钢筋笼和声测管。
      (三)桩灌注完成后,进行声测作业前一定要保护好声测管,当声测管露出地面时,应做明显标记和障碍,防止机械碾压和碰撞。
      (四)在破除桩头时,设法找准声测管位置并加以保护。如果桩头破除完成后,发现声测管口变形,则可用钢钎、钢锥进行冲或充修复;如果发现有土块、混凝土块等杂物落入管内,发生卡堵现象,可用测线前段带一钢棒(长度300mm,两头倒角,体表光滑)进行短程冲击,直至管底,然后清除。
      (五)声测作业时经常发现管内掉落异物现象:有土块、混凝土块、泥浆沉淀,甚至水泥浆沉淀等。为了得到一个准确的检测结果,就需要对落入杂物的测管进行清理。最有效的方法两种:方法一是气清法,首先对异物(土块、混凝土块)用测线前段带一钢棒进行击、打、冲、戳破碎,然后在声测管内导入一根小直径内管(铝塑管,PVC管),并连接高压气泵进行清理。方法二是水清法,在声测管内导入一根小直径内管(铝塑管,PVC管),并连接低压水泵,对声测管内漏入的泥浆和沉淀物进行侵蚀、冲刷、漂浮、循环排除。
        五、检测结果的数据分析和判断
基桩的超声波透射法检测需要分析和处理的主要声学参数是声速、 波幅、主频,同时要注意 对实测波形的观察和记录,如何在这些数据的基础上,对桩的完整性、连续性、强度等级等做出 判断,是超声法检测的关键。目前,常用的桩身缺陷判断方法有两大类,第一类是数值判据法,即根据测试值经适当的数字处理后找出一个存在缺陷的临界值作为依据, 这种方法能对大量测试数据做出明确的分析和判断,通常用于全面扫测时缺陷的初步判断;第二类是声场阴影区重叠法, 这类方法通常用于数值判据法确定缺陷位置后的细测判断, 以便详细划定缺陷的位置、大小和性 质等, 在桩身缺陷的超声检测种,这两类方法必须联合使用,过分偏重任何一种方法都是不合理的。
        对非专业人员来说,在声测作业时,应注意观察波幅、波速、波形的变化,粗略判断桩身质量状况。 

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该资讯的关键词为:超声波透射法