声波透射法在南水北调调压井桩基完整性检测中的应用

刘仰玉,鲁守尊,李奎杰,赵洪利

声波透射法在南水北调调压井桩基完整性检测中的应用

刘仰玉1,鲁守尊1,李奎杰1,赵洪利2

1. 临沂市恒泰安全科技有限公司, 山东 临沂市 276000 2. 山东水利职业学院, 山东 日照 276826

调压井桩基完整性是影响整个建筑物安全的关键因素，声波透射法是一种利用超声波对桩基完整性进行检测的精确方法。结合保沧干渠工程实际，介绍了声波透射法的基本原理、检测方法和工作参数。通过选取特殊桩基波形，利用匀质性和完整性判定规则，分析了波形波速和波幅的变化规律，揭示了桩基产生缺陷的原因，评价了桩基的混凝土匀质性和类别，提出了相应的常用处理措施。检测结果为大型建筑物的桩基完整性检测提供了经济有效的技术参考。

调压井; 桩基完整性; 声波透射法; 保沧干渠; 匀质性

调压井是河北省南水北调配套工程中最重要的地上水工建筑物，其承台具有结构断面尺寸大、钢筋密集、一次性浇筑混凝土方量大、混凝土浇筑强度高且温度控制要求严格等特点，施工难度很大[1-3]。调压井主要用于消减任丘、河间分水口流量变化引起的水击波，同时可起到降低下游管道工作压力、提高工程安全性的重要作用。此工程建成后不仅是一项重要的调压工程，而且是一处美丽的人文景观，将标志着河北省南水北调配套工程向前推进的重要一步[4-7]。因此，调压井基础的安全是直接影响整个调压井安全的关键问题，而桩基的完整性将直接决定桩基质量，这就需要对桩基进行完整性检测。

目前规范推荐的桩身完整性主要检测方法包括低应变法，高应变法和声波透射法三种[1]。三种检测方法中，尤以声波透射法的优点更为突出，不仅具有检测快速、完整细致、结果准确，无需基桩露出地面就可检测等优点，另外还不受施工场地、桩身长度与桩身直径的限制，这些都是低应变法和高应变法无法做到的[2]。

1 声波透射法基本原理

声波透射法，也称跨孔超声法，是指在桩身混凝土内发射并接收超声波，通过实测超声波在混凝土介质中传播的历时、波幅和频率等参数的相对变化来判定桩身完整性的一种检测方法。具有探测距离大、完全不破坏结构物，准确性高，可定量分析出桩身缺陷的大小和确切部位等优点[8-11]。其原理为在被测桩内预埋若干根竖向相互平行的声测管作为检测通道，将超声脉冲发射换能器与接收换能器置于声测管中，管中注满清水作为耦合剂，由仪器的发射换能器发射超声脉冲，穿过待测的桩体混凝土，并经接收换能器被仪器所接收，判读出超声波穿过混凝土的声时、接收波首波的波幅以及接收波主频等参数[12-15]。超声脉冲信号在混凝土的传播过程中因发生绕射、折射、多次反射及不同的吸收衰减，使接收信号在混凝土中传播的时间、振动幅度、波形及主频等发生变化，这样接收信号就携带了有关传播介质(即被测桩身混凝土)的密实缺陷情况、完整程度等信息。由仪器的数据处理与判断分析软件对接收信号的各种声参量进行综合分析，即可对桩身混凝土的完整性进行评价，判断桩基缺陷的程度并确定其位置[3]。声波透射法根据两个换能器的相对位置分为平测和斜测两种。平测时，两个换能器应始终保持相同深度；斜测时，两个换能器应始终保持固定高差，且两个换能器中点连线与水平夹角不应大于30°[4]，声波透射法检测示意图如图1所示。

图 1 声波透射法检测示意

图 2 桩基声波透射法现场检测示意

2 检测方法与工作参数

2.1 检测方法

当受检桩的混凝土强度不低于设计强度的70%，且不低于15 MPa时，方可采用声波透射法进行检测，检测仪器包括跨孔超声仪和测桩换能器，检测系统如图2所示。

桩内预埋相互平行的声测管，声测管的埋设数量与受检桩的桩径有关，但应在满足超声波覆盖范围尽可能大的前提下，声测管埋设数量尽量少的原则，桩径与声测管数量的对应关系如表1所示。

表 1 桩径与声测管数量的对应关系

注：①桩径≥2500 mm时，宜增加声测管数量；②图中阴影部分表示声波的覆盖范围。

Note: ①number of sound testing tubes increased when D≥2500 nm; ② Shadows showed the range of sound wave.

2.2 工作参数

式中：表示声测线的声时，表示声测线深度。

根据以上判定方法，并综合接收波形的畸变以及主频漂移等多种因素，分析桩身完整性及缺陷特征。

3 工程概况

调压井是南水北调配套工程保沧干渠工程的重要建筑物，位于主干线末端，外部回填土与上游阀井房结合，形成一条休闲廊架，景观设计的定位为具有重要的纪念价值的“南水北调工程”水利工程管理和科普教育基地，是具有主题性、标志性和艺术性的工业遗产，调压井桩号为82+995，圆筒型式，内径11.0 m，为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C45，抗渗等级为W8，抗冻等级为F100，调压井下部壁厚1.2 m，上部壁厚1.0 m，外壁设保湿层。调压井高程11.40 m，底板厚1.8 m，顶高程34.58 m，设计水位31.88 m。外壁设5.0×2.0 m的溢流堰。调压井整个结构坐落于63根钢筋混凝土灌注桩之上，灌注桩长40.0 m，直径Φ1000 mm，桩间距3.0 m。桩基平面布置图如图3所示，其中1#~25#桩为调压井主体结构灌注桩，26#~63#桩为调压井外围结构灌注桩。根据表1可知，直径为1000 mm的桩，声测管须埋设3根。因工程的重要性及施工设计要求，经各方协商确定，对调压井桩基的完整性进行全检。

图3 桩基平面布置图

4 检测准备与结果判定

4.1 检测准备工作

现场检测前准备工作应符合下列规定：

①当受检桩桩身混凝土强度达到设计强度的70%，且不低于15 MPa时，方可进行检测。

②采用率定法确定仪器系统延迟时间。

③计算声测管及耦合水层声时修正值。

④在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。

⑤将各声测管内注满清水，检查声测管是否畅通；换能器应能在声测管全程范围内正常升降。

现场的检测采用平测法对全桩各个检测剖面进行检测。现场平测应符合下列规定：

①将发射与接收换能器通过深度标志分别置于两个声测管道中的测点处。发射与接收换能器始终保持相同深度。

②检测过程中，应将发射与接收换能器同步升降，声测线间距不应大于100 mm，并应及时校核换能器的深度。

③对于每条声测线，应实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波幅值和信号主频值；保存检测数据的同时，应保存波列图信息[4]。

4.2 结果判定

4.2.1 桩身缺陷判定分析和处理的主要声学参数有声速、波幅、主频，必要时观察和记录波形。

波速判据和波幅判据是波形结果的主要异常判据，主频判据、能量判据和（斜率法判据）则只能作为辅助异常判据。①当采用声速作判定时，判据为：V≤0；②当采用波幅作判定时，判据为：A≤0。

当采用信号主频值作为辅助异常判据时，可利用主频—深度曲线上的主频值明显降低作为异常判定依据；当采用接收信号能量作为辅助异常判据时，可利用能量-深度曲线上的接收能量明显降低作为异常判定依据；当采用（斜率法）作为辅助异常判据时，可对进行计算，当值在某深度处突变时，还宜结合波幅变化情况进行异常判定依据。

4.2.2 桩身匀质性判定按声速离差系数x可把桩身匀质性分为A、B、C、D四级，声速离散系数表如表2所示。

表 2 声速离散系数表

4.2.3 桩身完整性判定桩身完整性类别应结合桩身缺陷处声测线的声学特征、缺陷的分布范围，按下表所列特征由Ⅳ类向Ⅰ类依次进行综合判定[5]，桩身完整性判定表如表3所示。

表3 桩身完整性判定表

5 桩基声测结果分析

采用跨孔超声仪和测桩换能器，选取12#、22#和58#桩，对桩基出现的多种缺陷进行综合判定。

（1）12#桩声速-深度曲线和波幅-深度曲线如图4所示。从图中可看出，桩头至桩身波形良好，三个剖面曲线走向类似，波速和波幅均大于对应的临界值，但均在距桩底约1.0 m范围内波速和波幅剧烈下降，造成桩底波形畸变、产生该缺陷的原因在于桩底混凝土在同一深度出现不均匀厚度的沉渣，且沉渣多为松散状，造成波速和波幅降低。桩身三个剖面中最大离差值为5.1%，根据表2可判定，满足5%≤C<10%，混凝土匀质性等级为B级。根据表3所列特征，12#桩可判定为Ⅲ类桩。常用处理措施是对桩底进行高压清洗，直到清水从孔口溢出，而后再进行高压灌浆，灌浆完成7 d后，利用声波透射法重新复测，复测结果良好。

图 4 12#桩声速-深度和波幅-深度曲线

图 5 22#桩声速-深度和波幅-深度曲线

图 6 58#桩声速-深度和波幅-深度曲线

（2）22#桩声速-深度曲线和波幅-深度曲线（图5）。从图中可看出，桩头至桩底波形整体良好，三个剖面的波速和波幅变化均匀，且波速和波幅均大于临界值，三个剖面中最大离差值为4.4%，根据表2可判定，满足C<5%，混凝土匀质性等级为A级。根据表3所列特征，22#桩可判定为Ⅰ类桩。

（3）58#桩声速-深度曲线和波幅-深度曲线如图6所示。从图中可看出，桩身至桩底波形良好，AB剖面和AC剖面曲线走向类似，但均在距桩头约8.5 m范围内波速和波幅剧烈下降，甚至波形无法采集，而BC剖面的波速和波幅变化相对均匀，仅在距桩头的2.6 m范围内的波速低于临界值，但仍有1.4 m无波形。造成桩体波形畸变、产生该缺陷的原因在于实际桩长短于设计桩长，当换能器提升至实际桩头位置后，超声波便失去了传播介质——混凝土，从而导致测量系统无法采集波形。三个剖面中最大离差值为2.7%，根据表2可判定，满足C<5%，桩身混凝土匀质性等级为A级。根据表3所列特征，58#桩可判定为Ⅳ类桩。常用处理措施有接桩、钻孔补强或扩大承台（梁）等。

通过选取典型桩基波形图，结合表2和表3判定方法，对调压井的全部桩基完整性进行了综合判定，经统计，桩基检测结果表如表4所示。

Tabel 4 The determined result of detected pile

表 4 桩基检测结果判定表

6 结 论

调压井作为河北省南水北调配套工程中最重要的地上水工建筑物，其桩基的质量决定着整个建筑物的安全，声波透射法凭借其精确性和有效性等特点在桩基完整性检测中得到了广泛应用，并对成桩工艺和施工质量作出了综合判定。

（1）对于桩底缺陷，声波透射法主要反映出的波形特征是桩底位置的各点波速和波幅剧烈下降，造成该缺陷的主要原因多为桩底沉渣，常用处理措施为高压灌浆。

（2）对于无缺陷的Ⅰ类桩，声波透射法主要反映的波形特征是从桩头至桩底的各点波速和波幅均大于对应的临界值。

（3）对于桩头缺陷，声波透射法主要反映出的波形特征是桩头位置或部分桩身的各点波速和波幅剧烈下降，甚至无法采集波形图，造成该缺陷的主要原因多为实际桩长短于设计桩长，常用处理措施有接桩、钻孔补强或扩大承台等。

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Application of Sound Wave Transmission in Pile Integrity of South-to-North Water Diversion Project

LIU Yang-yu1, LU Shou-zun1, LI Kui-jie1, ZHAO Hong-li2

1.276000,2.276826,

The pile integrity of surge tank is the key factor to influence the safety of buildings，sound wave transmission is an accurate method to detect the pile integrity by using ultrasonic. Base on the practical engineering of Bao Cang Canal，The basic principle、test and operating parameters of sound wave transmission are introduced. By choosing special pile wave form and using the decision rule of the uniformity and the integrity，the causes of pile defects are revealed，the pile of concrete homogeneity and categories are evaluated，the corresponding treatment measures are put forward. These results provide economic and effective technical references to pile integrity for the large building.

Surge tank; sound wave transmission; pile integrity; Bao Cang Canal; homogeneity

TV52

A

1000-2324(2019)04-0661-05

2018-03-15

2018-05-23

刘仰玉(1962-),男,大学本科,高工,研究方向:水工结构. E-mail:laohu001007@qq.com