混凝土桥梁检测中声波无损技术研究

付伟良

（江西省交通运输科学研究院有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

混凝土桥梁在运营的过程中，往往受到气候、车辆荷载等因素影响，桥梁的耐久性与安全性下降，并且桥梁结构的疲劳寿命也会受到影响。在这种背景下，桥梁就会出现各种病害问题。故而采取声波无损检测技术对桥梁性能进行检测评估，生成检测报告以及评估报告，能够为桥梁病害治理奠定基础，进而延长桥梁的使用寿命。

1 声波检测技术原理

声波检测技术主要是通过声音传播的特点进行桥梁损坏部位的检测，是目前广泛应用的无损检测技术类型。该检测技术容易受到外部因素干扰和影响，且环境中声音种类多，影响也比较大，所以声波检测技术的核心是过滤掉非结构传播的声音，然后再通过声音的传播情况，准确地判断损伤部位，为返修处理提供依据。就目前来说，应用最为广泛的声波检测技术是声波无损检测技术。声波检测技术需要使用设备发射回声波，通过设备确定声波传播的状态，测定频率的变化，以快速确定损伤部位。该技术的应用依据桥梁应力结构材料传播原理，与超声波检测类似。声波通常应用声波转换器获取应力波，或者应用桥梁机械力形成冲击回声波，能够实时反映桥梁损坏的部位，对于桥梁质量提升有重要意义。

2 声波波速与混凝土桥梁结构强度之间的关系

经过分析发现，声波在混凝土结构内传播的过程中，波速、频率都会不断变化，通过设备获取这些变化信息，并且进行数字化的处理，从而快速地判断出桥梁内部结构构造是否存在问题，了解病害问题，以便于展开维修处理。混凝土桥梁结构强度不同，声波波速也会有不同的表现，通过设备直接捕捉声波波速的数据信息，快速做出检测与分析，以掌握混凝土桥梁病害问题的部位，为返修处理提供依据。

3 应用声波检测技术进行桥梁桩基检测的方法

声波检测技术通常也可以叫作声波透射成像技术，将其应用到桩基检测中，具体包含下述几种技术。

3.1 桩内单孔透射法

该方法通常联合钻芯法，作为辅助检测方法使用。桩内单孔透射法的工作原理是在桩基内预留1 个单孔，并且安装换能器，该设备具备发射、接收功能。在混凝土桥梁桩基检测工作中，利用增加隔音材料的方式完成内部的隔音处理。换能器发射超声波，超声波经过耦合剂发射到混凝土内，然后返回到不同的接收器上，设备在获取声学参数以后能够对混凝土内部情况进行判断。但是也要注意，如果混凝土内部预埋钢管等结构，会对声波发射和接收造成不利的影响，影响检测的精度。因此，桩内单孔透射法并不能应用在桩内有钢管的结构中。

3.2 桩外孔透射法

该方法主要应用在无法安装换能器孔洞结构的桩基情况下，桩外孔透射法能够判断桩基是否存在缺陷问题。在检测工作实施中，需要在临近桩基的土层结构上钻一个测量孔。该测量系统内主要包含发射换能器、接收换能器、声波检测仪等设备。在安装操作环节，将发射换能器靠近桩基的顶部，在外部土层的孔洞上安装接收换能器，此时获取的声波是经过混凝土与土层结构后形成。桩外孔透射法的检测比较简单，检测环节不会损坏桩基结构，但是在检测的过程中，会影响土层衰减。所以在检测时，需要选择应用功率较高的发射器装置，并且不能在桩基长度较大的情况下检测；在技术应用的过程，只能确定桩基是否存在断桩、缩颈等问题，如果检测剖面有一定质量问题，则无法及时检测发现，精度还有待提升。因此，桩外孔透射法应该结合实际情况选择应用，以满足检测标准的要求。

3.3 跨孔透射法

在混凝土桥梁检测的过程中，该方法是比较常见的检测方式。该技术应用时，需要在桩体结构内预埋2 根声测管。同时在检测工作实施中，首先在管道内通入清水，并且于2 根管道内分别安装发射换能器、接收换能器。而后，声波脉冲经过发射换能器，穿越混凝土与耦合剂传输到接收器内，使其可以接收声波数据。虽然该方法检测前需要预埋2 根声测管，比较烦琐，但是能得到精确的检测数据，应用优势非常明显。检测时，利用发射换能器与接收换能器对桩基结构内的质量进行检查，以判定桩基是否存在质量问题。此外，在检测的过程中，还能让发射换能器和接收换能器之间形成高度差，让测量声波能够形成一定的斜角。测定时，倘若内部存在裂纹或是异物，可以通过调整高差角度对结构进行交叉测量，这样获取的数据相对精确。此外，跨孔透射法可以采用固定一点，移动一点的方式，形成扇形的测量范围，快速掌握大量的测量数据，促进测量精确性的提升，结果也更具可靠性。

4 基于实际工程的测量和数据分析

4.1 工程概况

某大型桥梁项目的建设总长度为1.1km，设计形式为4×20m 的混凝土桥梁。桥梁总计设计有44 根桩基，长度范围为1200～2800mm。选取钻孔灌注桩桩基进行检测，桩径尺寸为2.8m，桩体长度为20m，内部预埋4 根声测管，在施工结束4 周后开始检测工作。

4.2 检测准备

在声波检测之前，做好检测准备工作对提升检测效率与质量有重要作用。

第一，技术调研。首先对桥梁桩基的特点进行深入分析，发现该工程预埋的4 根声测管布设形状为正方形，分析布局形式发现采用跨孔透射法比较合适。故而在具体技术上结合以往的工作经验，确定了技术的应用形式。同时为了能够消除叠加波给测量精度造成的影响，在技术设定中，加大测试技术的频率覆盖范围，且制定满足现场测量的测量方法。

第二，加强环境控制。在现场检测中，定期了解桩基固化的情况，确保达到声波检测的标准要求，并且对桩头进行开挖使桩头表面平整，为检测工作顺利进行奠定基础；将声测管内杂物清理干净，消除不利因素的影响。

第三，选择合适的检测设备。应用超声波仪、径向振动换能器作为重要的检测设备。在工程检测中，选取ZBL-U5600 便携式超声仪，应用范围比较广，技术比较先进。同时该技术适应性比较强，可以在很多环境下应用，能够快速检测混凝土的桩基缺陷，准确判断桩基是否完整，还能够测定多项物理参数。

4.3 现场检测

现场检测是核心工作内容，对检测效果有直接的影响，因此，要做好下述工作：

其一，声测管平行测量。对各个声测管进行检测，确定是否达到平行的状态。在该检查中发现，4 根声测管并不平行，但是误差没有超出规定要求，处于合理范围内。

其二，声测管的间距检测，同时还要确保声测管在桩基内与外壁的间距合格。经过测量确定，声测管间距为2600mm。

其三，声测管直径57mm、壁厚3.5mm。由于管道壁厚并不会对测量结果产生过大的影响，所以壁厚数据预留，作为后续误差分析使用。在检测工作开始后，先进行评测。在测量工作实施中，应用同步提升发射换能器与接收换能器的方法测量。

为了避免存在过大的误差，提升时应用水平仪控制。在发射波控制中，为了能够提高测量的准确性，在该环节要做好频率与振幅的调节，控制发射换能器的频率，以检测仪的结果作为调整振幅的基础。检测后，发现存在异常问题，记录高度数据，第一组测量结束后，其余管道实施两两测量，依据得到的数据建立数据模型，并且对测量结果进行定量分析，从而得出最终的结论。

4.4 数据分析

在数据分析中，要从下述几个方面出发：声速、数据和PSD（power spectral density，功率谱密度），经过数据分析，可以确定桩基质量是否合格。由于工程检测的数据比较多，因此选取部分进行分析，部分检测结果见表1。

表1 检测结果（部分）

在测量的环节，平测的衰减标准为6dB，检测中发现一处的衰减稍微超出6dB 平均值，系统标记为疑似缺陷区域。在今后的斜角测量以及扇形测量中，确定基本的范围，同时还要明确缺陷情况，处于正常的范围内。根据分析可以发现，断面在0～18m 的范围内，声波、声速、PSD 值处于正常范围内，说明这2 个声测管桩体间距合格。在18.8～120m 区间，声速稍微降低，但是还处于规定误差范围内，并且承载性能检测合格，这部分数据变化并没有对桩基的质量产生更大的影响。经过分析发现，检测后桩基质量性能合格，达到国家标准I 类，满足运行标准。

5 超声波检测桩基的注意事项

其一，在声测管埋设作业中，确保安装的距离符合要求，并且按照对称、平行的原则进行设置，确保探头在管道内部可以自由活动，符合测量的标准要求；桩基结构的直径、密度等参数作为选择声测管数量的依据，在设置时需要达到检测标准的要求。如果桩径在800mm 以内，则设定2 根声测管；如果桩径超过1600mm，需要布置4 根以上的声测管；如果桩径处于800～1600mm 范围内，则需要安装3 根声测管。

其二，在混凝土结构桩基检测中，对于混凝土龄期有明确的要求。通常需要在混凝土灌注施工结束后，龄期超过14d 后才能开始检测工作，否则将无法准确地判定混凝土桩基的缺陷，对检测精度造成不利影响。

其三，钢筋笼主筋、声测管稳定的连接，禁止采取焊接作业方式，可以应用铅丝捆绑的方式，相邻2 道铅丝保持3m 的距离，主筋周边要布置U 形定位部件。对钢筋笼吊装环节加强控制，灌注环节发生碰撞的情况，容易造成声测管歪斜的问题，极易产生堵管的情况；根据设计方案的要求，确定合适的铸铁管厚度参数，可以应用刚度性能较高的声测管；对于铸铁管的连接部位，采用焊接方式，焊接强度性能合格，没有焊接缺陷。

其四，超声波检测仪的核心部件是换能器、数据采集系统，根据规范化标准要求，做好全面检测工作，声时准确、波形清晰，换能器精度达到规定的要求，换能器重量符合规范要求。

其五，在超声波桩基检测工作实施中，在内部灌注足够的清水，洁净度合格。如果不合格，会造成强度衰减，还会延长传播时间，对于最终检测精度造成不利影响。通过超声波技术进行混凝土质量问题的检测，在桩身结构检测的环节，只能对声测管之间的混凝土结构开展检测，所以在应用中，会有部分混凝土结构无法检测，导致不能全面了解整个桩基的质量。比如，声测管周边泥土包住声测管，检测参数存在异常，但是发现桩基完整性合格，所以局部存在缺陷问题时，可以通过钻芯法进行检测，也可以辅助以低应变法检测，综合多种分析方法，才能准确地获取桩基缺陷问题，对判定桩基的质量产生积极的意义。

6 检测现场的处理

桥梁桩基检测工作开始前，做好充足的准备工作极为重要，这是检测工作顺利进行的关键。加强桩身部位的清理工作，表面没有浮浆、杂质，消除表面因素的影响；确定设备安装位置后，对安装部位进行打磨处理，达到整洁、平整的要求。根据操作规范和要求，正确使用各种检测仪器设备，发挥出仪器设备的作用。在仪器使用中，落实设备的维护和保养措施，确保仪器设备性能合格；分析材质强度与硬度参数，采取科学合理的应对措施，有针对性地处理现场状况，使得检测工作顺利实施，检测数据达到精度要求；现场交通运输通道通畅，确保仪器设备、人员可以顺利地进入现场，为检测顺利实施奠定基础。

7 结语

结合实际案例，分析超声波检测技术在桥梁检测的应用方法。经过总结表明，该检测技术操作简单，检测数据精度高，如果单一应用声波透射法检测，并不能确定抗压性能参数，所以还要联合其他技术混合使用。虽然超声波检测技术有着较高的先进性，但是不能过度依赖，应多种技术综合使用，才能确保检测数据达到精度准确的要求，对桥梁工程质量提升产生积极意义。