一、前言
混凝土灌注樁是高層建筑、橋梁等工程結(jié)構(gòu)中常用的基礎(chǔ)類型。隨著現(xiàn)代大型建筑的增多，樁型越來越大，使得常規(guī)檢測手段如靜壓法、低應(yīng)變法等實施困難，甚至無法進(jìn)行。如何加強(qiáng)對混凝土灌注樁成樁質(zhì)量的監(jiān)控和檢測，成為當(dāng)今建筑工程中的重要問題。
本文結(jié)合南昆線八渡滑坡抗滑樁（挖孔灌注樁）超聲波檢測的實例，闡述了超聲波法在重大工程項目基樁檢測中的效果。
二、滑坡及整治工程概況
八渡車站滑坡由南昆線八渡車站附近的2＃、3＃、4＃山頭組成，是一巨型切層古滑坡，其前緣直接延伸至南盤江邊，滑坡長約550m，寬度400m。
1997年雨季連降暴雨，雨水大量下滲，線路左側(cè)主體滑坡出現(xiàn)裂縫，古滑坡復(fù)活，威脅鐵路安全。
為徹底根治滑坡，整治工程采取了設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索樁、抗滑樁、泄水洞、截水溝等工程措施。其中，線路左側(cè)滑坡的中、前部設(shè)置了兩排共計113根預(yù)應(yīng)力錨索樁，樁長23～55m，樁間距7m，樁截面2～2.5×2.5～4m，樁錨入滑面以下巖層的長度10～14m。這部分樁是抽檢的對象。
錨索樁周圍的巖層自上而下主要有四類：1.人工棄填土；2.砂粘士夾碎塊石；3.碎塊石土；4.砂巖、泥巖。其中，1～3組成滑體，4為滑床巖層。
錨索樁成樁采用挖土灌注法，樁頂以下30m內(nèi)土層均設(shè)有0.3～0.4m厚的護(hù)壁。樁身加筋，用最大粒徑小于50mm的級配碎石砼連續(xù)灌注，并分層搗固密實成樁。
三、理論基礎(chǔ)
1．超聲波在砼介質(zhì)中的傳播規(guī)律
超聲波是頻率在2×104Hz～1010Hz之間的聲波。聲波是一種縱波，它在無吸收的無限大均勻介質(zhì)中的傳播可用下面的方程來表示：
式中，A－振幅；ω－角頻率；y－表示在波線上任一位置（距原點距離為X）的質(zhì)點在任一瞬時沿波傳播方向上的位移。
各種聲波的頻率范圍
次聲波 可聞聲波 超聲波 特超聲波
0～20Hz 20～20000Hz 20000～1010Hz ＞1010Hz
聲波在傳播過程中，充滿聲波的空間稱為聲場。聲場具有以下兩個主要特征量：
①聲壓P
聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)P1和沒有聲場存在時同一點的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差稱為聲壓P，單位為帕Pa＝N／㎡，其公式為：
式中，Z為聲阻抗（ρ＊v）；ρ為介質(zhì)密度；Va為介質(zhì)質(zhì)點振動速度
②聲強(qiáng)J
聲強(qiáng)指在垂直于聲波傳播方向上單位面積在
單位時間內(nèi)通過的聲能量。
聲強(qiáng)滿足如下關(guān)系式：
聲壓與角頻率成正比，聲強(qiáng)與角頻率的平方
成正比，超聲波的頻率大于可聞聲波，其聲壓、
聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于可聞聲波，這是超聲波能用于檢測的
原因。
當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，要
產(chǎn)生反射波和透射波。
圖3－1為聲波垂直入射單一界面時的傳播示意圖，界面兩側(cè)滿足下列邊界條件：①兩側(cè)聲壓相等，即P0＋Pr＝Pd②兩側(cè)質(zhì)點振動速度的幅值相等，即Va1=Va2。利用前面推導(dǎo)的公式及邊界條件，可求出聲強(qiáng)的反射系數(shù)α和透射系數(shù)β：
α=(Z2-Z1)2／(Z2+Z1)2
β=4Z1Z2／(Z1+Z2)2
當(dāng)Z1＞＞Z2或Z1＜＜Z2時，α趨于1，β趨于0，說明當(dāng)兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗差異過大時，入射波能量將被全部反射回原來的介質(zhì)中，不發(fā)生透射。
2．測試參數(shù)
混凝土是由多種材料配制而成的非均質(zhì)材料，當(dāng)其組成材料、施工工藝、內(nèi)部質(zhì)量及測試距離一定時，超聲波在其中傳播的速度、首波幅度和頻率等聲學(xué)參數(shù)的測量值應(yīng)基本一致，波形穩(wěn)定。如果某部分混凝土存在空洞、不密實區(qū)等缺陷，便破壞了混凝土的整體性，其中空氣所占的體積比例相應(yīng)增大，而空氣的聲阻抗率遠(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗率，超聲波在“固－氣”界面上幾乎產(chǎn)生全反向，繞過或穿過缺陷區(qū)的部分超聲波到達(dá)接收探頭時，聲時值偏大，首波幅度和頻率降低，波形發(fā)生變化。超聲波檢測混凝土質(zhì)量正是基于這一性質(zhì)，通過分析接收到的超聲波的聲時值、首波幅度、頻率和波形，推斷混凝土質(zhì)量。
四、測試方法
測試方法采用對測法。如圖4－1，將超聲波發(fā)射探頭F和接收探頭S分別置于兩根聲測管的同一深度處，超聲檢測儀經(jīng)信號電纜由發(fā)射探頭F發(fā)射超聲波，超聲波穿過樁身混凝土后，到達(dá)接收探頭S，并經(jīng)信號電纜由超聲檢測儀記錄和存儲。之后，按20cm點距同步提升發(fā)射探頭F和接收探頭S，檢測另一深度處的混凝土質(zhì)量。
測試前需做如下準(zhǔn)備工作：
1．聲測管的埋設(shè)
測試選用聲測管為鍍鋅鐵管，管與管之間用管箍連接，管口磨去毛刺，在接口處纏防水膠帶。因樁長大，聲測管難以作到兩兩平行且鉛直，因此要對變化較大的樁段做好記錄。
如圖5－1，聲測管綁扎在各孔壁的1／3處，以防止超聲波沿兩聲測管之間的箍筋傳播。
2．聲零時的標(biāo)定
儀器測讀時間t1并非超聲波在混凝土中的傳播時間t。t1中除包含t外，尚包含以下幾部分。①電延遲時間；②電聲轉(zhuǎn)換時間；③聲延遲；④聲波在聲測管內(nèi)部水中傳播時間；⑤聲波通過聲測管壁的時間。這些時間的和統(tǒng)稱t0，計算波速的聲時值要減t0值。
t0時標(biāo)定采用兩段聲測管截留部分，分別置入發(fā)射和接收探頭，采用對測方法，在水中標(biāo)定。標(biāo)定距離自10cm起，按10cm遞增，至1.5m止。按聲時～距離曲線求出t0值。
五、資料分析與整理
事先分析造成抗滑樁樁身混凝土缺陷的原因主要有以下三種可能：（1）灌注過程中混入自孔壁坍落的泥、砂。（2）灌注過程因故中途停止，造成二次澆注，形成結(jié)合面。（3）振搗不實。
超聲波通過缺陷部位進(jìn)，各聲測參數(shù)分別發(fā)生如下變化：
1．聲速降低：當(dāng)樁身混凝土部存蜂窩、孔洞等缺陷時，缺陷處聲阻抗值明顯地低于正?；炷恋穆曌杩怪?。超聲波要穿過缺陷或繞過缺陷到達(dá)接收探頭，致使聲時值增大，聲速降低。
在本工地中，靠山一側(cè)聲測管在綁扎過程中，由于樁身設(shè)計主筋用料原因，造成該聲測管與其余聲測管之間距離沿樁身不等，速度－深度曲線出現(xiàn)異常。對于異常數(shù)據(jù)結(jié)合聲測管埋設(shè)情況加以修正，并根據(jù)其余聲測參數(shù)的變化確定是否存在缺陷。
2．首波幅度下降：當(dāng)超聲波穿過缺陷時，部分聲能被缺陷內(nèi)含物質(zhì)所吸收，部分聲能被缺陷的不規(guī)則表面反射或散射，到達(dá)接收探頭的信號聲能明顯減少，反映為首波波幅降低。
3．首波頻率下降：當(dāng)超聲波穿過缺陷區(qū)時，其中的高頻成分首先衰減，導(dǎo)致接收信號主頻下降，其下降程度與缺陷嚴(yán)重程度有關(guān)。
4．波形畸變：由于缺陷區(qū)的存在，部分超聲波被多次反射而滯后到達(dá)接收探頭。這些波的前鋒到達(dá)接收探頭的時間不同，相位也不同。疊加后造成接收波形畸變，缺陷嚴(yán)重的可導(dǎo)致波形無法判識。
基于上述指導(dǎo)思想，依據(jù)“灌注樁樁身質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)（GBJ107－87）”，確定樁質(zhì)量類別：
（1）A類、B類樁：
A類樁聲速大于4120m／s，B類樁聲速在3000m／s和4120 m／s之間，兩類樁均個有波形清晰完整，聲時、波幅變化的特點。
（2）C類樁：
聲速在2750 m／s和3000 m／s之間，樁身存在異常段，異常段聲時變大，波形較為完整，能清楚判別初至?xí)r，頻率降低，波幅變化較大。
該類樁在異常段混凝土灌注質(zhì)量不好，存在離析現(xiàn)象，但其波形完整、聲時可以判讀，說明混凝土尚具備一定強(qiáng)度。
（3）D類樁
聲速低于2750 m／s，樁中部或下部存在異常段，信號衰減嚴(yán)重，波形不可辨別，聲時不可判讀。D類樁為不合格樁。
對樁身完整性的定量解釋采用聲速判據(jù)、聲幅判據(jù)、K·Δt判據(jù)（相鄰兩點時－深曲線的斜率與聲時差的乘積）三種判據(jù)綜合分析。
圖6－2給出了某樁的三種判據(jù)曲線，可以看出樁中，下部存在兩處較大缺陷。
六、結(jié)論
基樁是地下隱蔽工程，超聲波測樁是在混凝土構(gòu)件測缺技術(shù)上發(fā)展起來的一門技術(shù)。在八渡滑坡抗滑樁及上海市延安中路高架工程樁基等項目的檢測過程中，可以看出聲測管是樁基檢測的重要組成部分，它的埋置方式和布置形式，直接影響檢測結(jié)果。下表給出了不同情況下聲參數(shù)的變化規(guī)律。
由上表可以看出，聲參數(shù)對外界影響非常敏感。灌注樁測試過程中不可能象外部構(gòu)測試那樣隨意調(diào)整探頭位置和測試部位，以達(dá)到最佳效果。因此，在對灌注樁測試數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析時，應(yīng)在綜合考慮各聲參數(shù)的前提下，結(jié)合聲測管埋設(shè)情況，對測試數(shù)據(jù)加以修正，不能將波速作為起決定作用的參數(shù)。
現(xiàn)在樁基檢測方法眾多，通過超聲波法在八渡滑坡抗滑樁及上海市延安中路高架工程樁基等項目的檢測效果可以看出，該方法具有快捷、覆蓋面大、定量解釋準(zhǔn)確等優(yōu)點，就大型灌注樁樁身質(zhì)量檢測即檢測混凝土的連續(xù)性、均勻性而言，超聲波法是最直觀、可靠的一種檢測的方法。
關(guān)于灌注混凝土樁聲波透射法的判據(jù)問題
趙學(xué)勐
一問題的提出
在聲波檢測工作中，經(jīng)常遇到委托單位同時提出兩項任務(wù)的情況，一是要求檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性，二是對樁身混凝土強(qiáng)度進(jìn)行推算。但是由于認(rèn)識上的原因和技術(shù)的難度，檢測單位和其管理部門往往只接受完整性的聲波檢測任務(wù)，而拒絕接受樁身結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度測試項目。為了保證工程不留隱患，檢測人員做些嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯靠偨Y(jié)，以使檢測技術(shù)有所前進(jìn)，是完全有必要的。
二聲波透射法完整性檢測判據(jù)的發(fā)展
用于聲波透射法的物理量有聲速（聲時），波幅（波幅衰減值）和頻率（由波形變換而得）等三項，目前常用的方法多是其中單獨一項且多為聲時，其他則僅作為解釋聲時曲線的輔助參量，如概率法，PSD判據(jù)皆是如此。
鑒于波幅（波幅衰減值）對混凝土缺陷區(qū)的反映比聲速更為敏感，而且接收到的信號的頻譜又是其衰減的一個特征，所以將以上兩項或三項物理量加以綜合，能較全面地反映構(gòu)成混凝土特性的各種因素，并且能抵銷部分影響因素，從而可以提高檢測的靈敏性和可靠性。
NFP判據(jù)是將各測點的聲速，波幅，頻率值除以所測樁的全部測點中相應(yīng)的最大值，分別得到相對值，將對應(yīng)點的三個乘數(shù)相乘，得到一個新的樣本。然后分析此綜合樣本的概率分布函數(shù)，并對樣本中的異常值作出判斷，NFPi＜1，表示該點有缺陷。NFP值越小，則缺陷越嚴(yán)重。
逆概率法是僅將各測點的聲時和振幅這兩個數(shù)據(jù)，作同步相關(guān)處理，得到綜合異常曲線，對此曲線進(jìn)行一次求導(dǎo)計算后，再進(jìn)行逆概率法分析，如Pi≥0.5，表示該點存在異常。Pi越大，缺陷范圍也大。
計算機(jī)的應(yīng)用，給繁雜的數(shù)據(jù)計算提供了方便。為了使這類計算更加有效和判斷更加準(zhǔn)確，考慮給各物理量以適當(dāng)?shù)募訖?quán)數(shù)則是有意義的問題。另外，頻譜是由波形經(jīng)過變換而來。這個變換涉及到時域樣本截取長度，采樣時間間隔的大小，以及窗函數(shù)形狀，如果處理不好，反而會增加誤差。
聲波透射法檢測鉆孔樁質(zhì)量的技術(shù)規(guī)程于1995年12月頒布，它起到了提高檢測質(zhì)量的作用。作者經(jīng)過幾年的實踐，特別是在不斷地用鉆孔取芯法對檢測結(jié)果進(jìn)行驗證后，對判據(jù)的適用性，可靠性又有了一些認(rèn)識。
首先是，以聲速的離差系數(shù)
定出的均勻性級別，對分辨樁身有無缺陷似不夠靈敏。
按規(guī)定，A級：0，0≤ε＜0，050；C級：0，10≤ε＜1，15；
B級：0，05≤ε＜0，10；D級：0，15≤ε＜1，00；
但是實際情況卻是不論樁完整與否，離差系數(shù)都為A，B級。
表1檢測樁的離差系數(shù)
工程項目 樁號 離差系數(shù) 芯樣完整性
多層建筑(三根聲測管) 27322 0.036 0.028 0.0330.024 0.045 0.0550.109 0.067 0.088 完整完整有幾處破碎
特高層建筑(四根聲測管) 21665414549 0.048 0.029 0.0870.029 0.038 0.0530.022 0.014 0.0400.016 0.048 0.0130.025 0.036 0.0510.021 0.019 0.0150.045 0.045 0.0360.056 0.020 0.0540.032 0.045 0.0380.039 0.044 0.0260.031 0.044 0.0300.050 0.028 0.036 完整完整有幾處破碎有幾處破碎有幾處破碎有幾處破碎
其次是臨界值的判斷，如僅就單獨一條曲線，即聲速－深度曲線，或波幅衰減值－深度曲線來分析，則其可疑點的數(shù)量就會較多，從而增加了需要作進(jìn)一步的分析和判讀的工作量，當(dāng)時間緊迫時就會難以做到，但如將這兩條曲線并列，并觀察其洞樁長的變化，即可明顯地看到那些聲速最低與波幅衰減最高相對應(yīng)的點僅剩幾個。如附圖所示，鉆芯證明這些點處都是有缺陷，該處混凝土膠極差，芯樣破碎成塊狀。
此外，在并列的兩條曲線上，往往看到同一深度處，聲速高，波幅反而衰減大；和聲速低，波幅反而衰減小的異常現(xiàn)象，如何解釋還有待研究。
三樁身混凝土強(qiáng)度的推算
人們普遍認(rèn)為混凝土聲速與其強(qiáng)度之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但影響混凝土聲速的因素很多，諸如粗骨料品種，粒徑，配合比，養(yǎng)護(hù)條件，含水率，混凝土的齡期，鋼筋排列等，如不將這些因素具體地確定下來，則波速和強(qiáng)度之間就沒有相關(guān)性可言。國外有的建材研究者（Chefdeville）提供的混凝土抗壓強(qiáng)度與聲速的關(guān)系包絡(luò)圖，在同一聲速下，抗壓強(qiáng)度變化在20MPa上下，這已不是測試結(jié)果的波動所造成的。
適用于地面以上建筑構(gòu)件的超聲回彈法的提出，表明針對某一地區(qū)或某一工程，將某些主要影響因素（如粗料的品種，用量，含水率，養(yǎng)護(hù)條件）固定下來，建立專用的“聲速－強(qiáng)度”公式和參數(shù)，對于均勻性良好的樁而言是可行的。在以花岡巖碎石為粗骨料的珠江三角洲，人們不斷地積累巖芯（試塊）的抗壓強(qiáng)度和聲速的相關(guān)數(shù)據(jù)。如東莞樟洋大橋鉆孔樁巖芯，平均抗壓強(qiáng)度為18.8MPa（單塊最低為17.9MPa），相應(yīng)的聲速為2113，2355，2322m／s；珠海淇澳大橋試塊的抗壓強(qiáng)度為41.8MPa，聲速為4300 m／s；成吉思汗大樓工地的試件，C50，C60，分別對應(yīng)聲速為4500，4700 m／s。樁基工程手冊（中國建筑工業(yè)出版社，1995年版）表14.4.4介紹了在試驗室里做的混凝土抗壓強(qiáng)度和聲速關(guān)系的試驗結(jié)果，C20對應(yīng)的聲速是3000～3250 m／s。國內(nèi)有的單位還建立了適用于本地區(qū)的R～V相關(guān)曲線。這些資料說明：
1．同一條件下，聲速越高，混凝土的強(qiáng)度也越高，但有離散性。如聲速3600 m／s可以相識破于C25，也可以是C30。
2．混凝土強(qiáng)度大于C35以后，聲速和強(qiáng)度的相關(guān)性較差，級差也變小。如由C15變成C20，聲速可以增加400～500 m／s，而由C35變成C40，聲速則僅增加200～300 m／s。作者根據(jù)已收集到的對比資料，針對珠海地區(qū)的情況，提出了不同強(qiáng)度混凝土的聲速變化范圍及其特征值，作為參考資料，滿足了生產(chǎn)單位的急需。
與地面以上建筑構(gòu)件的聲波測試相比，樁身位于地下，無法進(jìn)行樁身回彈試驗，這是一個不利條件，但有利的是，聲速探頭與混凝土的耦合條件較好，波幅衰減系數(shù)易于測量，為利用聲速，衰減系數(shù)這兩項參數(shù)與混凝土強(qiáng)度建立相關(guān)關(guān)系式提供了可能。但如何考慮聲速和衰減系數(shù)的加權(quán)值是有待研究的另一個問題。隨著特大直徑樁的日益增多，聲波透射法的應(yīng)用前景極其廣闊，提高聲波測試技術(shù)水平，將具有深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價值。
混凝土灌注樁是高層建筑、橋梁等工程結(jié)構(gòu)中常用的基礎(chǔ)類型。隨著現(xiàn)代大型建筑的增多，樁型越來越大，使得常規(guī)檢測手段如靜壓法、低應(yīng)變法等實施困難，甚至無法進(jìn)行。如何加強(qiáng)對混凝土灌注樁成樁質(zhì)量的監(jiān)控和檢測，成為當(dāng)今建筑工程中的重要問題。
本文結(jié)合南昆線八渡滑坡抗滑樁（挖孔灌注樁）超聲波檢測的實例，闡述了超聲波法在重大工程項目基樁檢測中的效果。
二、滑坡及整治工程概況
八渡車站滑坡由南昆線八渡車站附近的2＃、3＃、4＃山頭組成，是一巨型切層古滑坡，其前緣直接延伸至南盤江邊，滑坡長約550m，寬度400m。
1997年雨季連降暴雨，雨水大量下滲，線路左側(cè)主體滑坡出現(xiàn)裂縫，古滑坡復(fù)活，威脅鐵路安全。
為徹底根治滑坡，整治工程采取了設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索樁、抗滑樁、泄水洞、截水溝等工程措施。其中，線路左側(cè)滑坡的中、前部設(shè)置了兩排共計113根預(yù)應(yīng)力錨索樁，樁長23～55m，樁間距7m，樁截面2～2.5×2.5～4m，樁錨入滑面以下巖層的長度10～14m。這部分樁是抽檢的對象。
錨索樁周圍的巖層自上而下主要有四類：1.人工棄填土；2.砂粘士夾碎塊石；3.碎塊石土；4.砂巖、泥巖。其中，1～3組成滑體，4為滑床巖層。
錨索樁成樁采用挖土灌注法，樁頂以下30m內(nèi)土層均設(shè)有0.3～0.4m厚的護(hù)壁。樁身加筋，用最大粒徑小于50mm的級配碎石砼連續(xù)灌注，并分層搗固密實成樁。
三、理論基礎(chǔ)
1．超聲波在砼介質(zhì)中的傳播規(guī)律
超聲波是頻率在2×104Hz～1010Hz之間的聲波。聲波是一種縱波，它在無吸收的無限大均勻介質(zhì)中的傳播可用下面的方程來表示：
式中，A－振幅；ω－角頻率；y－表示在波線上任一位置（距原點距離為X）的質(zhì)點在任一瞬時沿波傳播方向上的位移。
各種聲波的頻率范圍
次聲波 可聞聲波 超聲波 特超聲波
0～20Hz 20～20000Hz 20000～1010Hz ＞1010Hz
聲波在傳播過程中，充滿聲波的空間稱為聲場。聲場具有以下兩個主要特征量：
①聲壓P
聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)P1和沒有聲場存在時同一點的靜態(tài)壓強(qiáng)P0之差稱為聲壓P，單位為帕Pa＝N／㎡，其公式為：
式中，Z為聲阻抗（ρ＊v）；ρ為介質(zhì)密度；Va為介質(zhì)質(zhì)點振動速度
②聲強(qiáng)J
聲強(qiáng)指在垂直于聲波傳播方向上單位面積在
單位時間內(nèi)通過的聲能量。
聲強(qiáng)滿足如下關(guān)系式：
聲壓與角頻率成正比，聲強(qiáng)與角頻率的平方
成正比，超聲波的頻率大于可聞聲波，其聲壓、
聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于可聞聲波，這是超聲波能用于檢測的
原因。
當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，要
產(chǎn)生反射波和透射波。
圖3－1為聲波垂直入射單一界面時的傳播示意圖，界面兩側(cè)滿足下列邊界條件：①兩側(cè)聲壓相等，即P0＋Pr＝Pd②兩側(cè)質(zhì)點振動速度的幅值相等，即Va1=Va2。利用前面推導(dǎo)的公式及邊界條件，可求出聲強(qiáng)的反射系數(shù)α和透射系數(shù)β：
α=(Z2-Z1)2／(Z2+Z1)2
β=4Z1Z2／(Z1+Z2)2
當(dāng)Z1＞＞Z2或Z1＜＜Z2時，α趨于1，β趨于0，說明當(dāng)兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗差異過大時，入射波能量將被全部反射回原來的介質(zhì)中，不發(fā)生透射。
2．測試參數(shù)
混凝土是由多種材料配制而成的非均質(zhì)材料，當(dāng)其組成材料、施工工藝、內(nèi)部質(zhì)量及測試距離一定時，超聲波在其中傳播的速度、首波幅度和頻率等聲學(xué)參數(shù)的測量值應(yīng)基本一致，波形穩(wěn)定。如果某部分混凝土存在空洞、不密實區(qū)等缺陷，便破壞了混凝土的整體性，其中空氣所占的體積比例相應(yīng)增大，而空氣的聲阻抗率遠(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗率，超聲波在“固－氣”界面上幾乎產(chǎn)生全反向，繞過或穿過缺陷區(qū)的部分超聲波到達(dá)接收探頭時，聲時值偏大，首波幅度和頻率降低，波形發(fā)生變化。超聲波檢測混凝土質(zhì)量正是基于這一性質(zhì)，通過分析接收到的超聲波的聲時值、首波幅度、頻率和波形，推斷混凝土質(zhì)量。
四、測試方法
測試方法采用對測法。如圖4－1，將超聲波發(fā)射探頭F和接收探頭S分別置于兩根聲測管的同一深度處，超聲檢測儀經(jīng)信號電纜由發(fā)射探頭F發(fā)射超聲波，超聲波穿過樁身混凝土后，到達(dá)接收探頭S，并經(jīng)信號電纜由超聲檢測儀記錄和存儲。之后，按20cm點距同步提升發(fā)射探頭F和接收探頭S，檢測另一深度處的混凝土質(zhì)量。
測試前需做如下準(zhǔn)備工作：
1．聲測管的埋設(shè)
測試選用聲測管為鍍鋅鐵管，管與管之間用管箍連接，管口磨去毛刺，在接口處纏防水膠帶。因樁長大，聲測管難以作到兩兩平行且鉛直，因此要對變化較大的樁段做好記錄。
如圖5－1，聲測管綁扎在各孔壁的1／3處，以防止超聲波沿兩聲測管之間的箍筋傳播。
2．聲零時的標(biāo)定
儀器測讀時間t1并非超聲波在混凝土中的傳播時間t。t1中除包含t外，尚包含以下幾部分。①電延遲時間；②電聲轉(zhuǎn)換時間；③聲延遲；④聲波在聲測管內(nèi)部水中傳播時間；⑤聲波通過聲測管壁的時間。這些時間的和統(tǒng)稱t0，計算波速的聲時值要減t0值。
t0時標(biāo)定采用兩段聲測管截留部分，分別置入發(fā)射和接收探頭，采用對測方法，在水中標(biāo)定。標(biāo)定距離自10cm起，按10cm遞增，至1.5m止。按聲時～距離曲線求出t0值。
五、資料分析與整理
事先分析造成抗滑樁樁身混凝土缺陷的原因主要有以下三種可能：（1）灌注過程中混入自孔壁坍落的泥、砂。（2）灌注過程因故中途停止，造成二次澆注，形成結(jié)合面。（3）振搗不實。
超聲波通過缺陷部位進(jìn)，各聲測參數(shù)分別發(fā)生如下變化：
1．聲速降低：當(dāng)樁身混凝土部存蜂窩、孔洞等缺陷時，缺陷處聲阻抗值明顯地低于正?；炷恋穆曌杩怪?。超聲波要穿過缺陷或繞過缺陷到達(dá)接收探頭，致使聲時值增大，聲速降低。
在本工地中，靠山一側(cè)聲測管在綁扎過程中，由于樁身設(shè)計主筋用料原因，造成該聲測管與其余聲測管之間距離沿樁身不等，速度－深度曲線出現(xiàn)異常。對于異常數(shù)據(jù)結(jié)合聲測管埋設(shè)情況加以修正，并根據(jù)其余聲測參數(shù)的變化確定是否存在缺陷。
2．首波幅度下降：當(dāng)超聲波穿過缺陷時，部分聲能被缺陷內(nèi)含物質(zhì)所吸收，部分聲能被缺陷的不規(guī)則表面反射或散射，到達(dá)接收探頭的信號聲能明顯減少，反映為首波波幅降低。
3．首波頻率下降：當(dāng)超聲波穿過缺陷區(qū)時，其中的高頻成分首先衰減，導(dǎo)致接收信號主頻下降，其下降程度與缺陷嚴(yán)重程度有關(guān)。
4．波形畸變：由于缺陷區(qū)的存在，部分超聲波被多次反射而滯后到達(dá)接收探頭。這些波的前鋒到達(dá)接收探頭的時間不同，相位也不同。疊加后造成接收波形畸變，缺陷嚴(yán)重的可導(dǎo)致波形無法判識。
基于上述指導(dǎo)思想，依據(jù)“灌注樁樁身質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)（GBJ107－87）”，確定樁質(zhì)量類別：
（1）A類、B類樁：
A類樁聲速大于4120m／s，B類樁聲速在3000m／s和4120 m／s之間，兩類樁均個有波形清晰完整，聲時、波幅變化的特點。
（2）C類樁：
聲速在2750 m／s和3000 m／s之間，樁身存在異常段，異常段聲時變大，波形較為完整，能清楚判別初至?xí)r，頻率降低，波幅變化較大。
該類樁在異常段混凝土灌注質(zhì)量不好，存在離析現(xiàn)象，但其波形完整、聲時可以判讀，說明混凝土尚具備一定強(qiáng)度。
（3）D類樁
聲速低于2750 m／s，樁中部或下部存在異常段，信號衰減嚴(yán)重，波形不可辨別，聲時不可判讀。D類樁為不合格樁。
對樁身完整性的定量解釋采用聲速判據(jù)、聲幅判據(jù)、K·Δt判據(jù)（相鄰兩點時－深曲線的斜率與聲時差的乘積）三種判據(jù)綜合分析。
圖6－2給出了某樁的三種判據(jù)曲線，可以看出樁中，下部存在兩處較大缺陷。
六、結(jié)論
基樁是地下隱蔽工程，超聲波測樁是在混凝土構(gòu)件測缺技術(shù)上發(fā)展起來的一門技術(shù)。在八渡滑坡抗滑樁及上海市延安中路高架工程樁基等項目的檢測過程中，可以看出聲測管是樁基檢測的重要組成部分，它的埋置方式和布置形式，直接影響檢測結(jié)果。下表給出了不同情況下聲參數(shù)的變化規(guī)律。
由上表可以看出，聲參數(shù)對外界影響非常敏感。灌注樁測試過程中不可能象外部構(gòu)測試那樣隨意調(diào)整探頭位置和測試部位，以達(dá)到最佳效果。因此，在對灌注樁測試數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析時，應(yīng)在綜合考慮各聲參數(shù)的前提下，結(jié)合聲測管埋設(shè)情況，對測試數(shù)據(jù)加以修正，不能將波速作為起決定作用的參數(shù)。
現(xiàn)在樁基檢測方法眾多，通過超聲波法在八渡滑坡抗滑樁及上海市延安中路高架工程樁基等項目的檢測效果可以看出，該方法具有快捷、覆蓋面大、定量解釋準(zhǔn)確等優(yōu)點，就大型灌注樁樁身質(zhì)量檢測即檢測混凝土的連續(xù)性、均勻性而言，超聲波法是最直觀、可靠的一種檢測的方法。
關(guān)于灌注混凝土樁聲波透射法的判據(jù)問題
趙學(xué)勐
一問題的提出
在聲波檢測工作中，經(jīng)常遇到委托單位同時提出兩項任務(wù)的情況，一是要求檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性，二是對樁身混凝土強(qiáng)度進(jìn)行推算。但是由于認(rèn)識上的原因和技術(shù)的難度，檢測單位和其管理部門往往只接受完整性的聲波檢測任務(wù)，而拒絕接受樁身結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度測試項目。為了保證工程不留隱患，檢測人員做些嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯靠偨Y(jié)，以使檢測技術(shù)有所前進(jìn)，是完全有必要的。
二聲波透射法完整性檢測判據(jù)的發(fā)展
用于聲波透射法的物理量有聲速（聲時），波幅（波幅衰減值）和頻率（由波形變換而得）等三項，目前常用的方法多是其中單獨一項且多為聲時，其他則僅作為解釋聲時曲線的輔助參量，如概率法，PSD判據(jù)皆是如此。
鑒于波幅（波幅衰減值）對混凝土缺陷區(qū)的反映比聲速更為敏感，而且接收到的信號的頻譜又是其衰減的一個特征，所以將以上兩項或三項物理量加以綜合，能較全面地反映構(gòu)成混凝土特性的各種因素，并且能抵銷部分影響因素，從而可以提高檢測的靈敏性和可靠性。
NFP判據(jù)是將各測點的聲速，波幅，頻率值除以所測樁的全部測點中相應(yīng)的最大值，分別得到相對值，將對應(yīng)點的三個乘數(shù)相乘，得到一個新的樣本。然后分析此綜合樣本的概率分布函數(shù)，并對樣本中的異常值作出判斷，NFPi＜1，表示該點有缺陷。NFP值越小，則缺陷越嚴(yán)重。
逆概率法是僅將各測點的聲時和振幅這兩個數(shù)據(jù)，作同步相關(guān)處理，得到綜合異常曲線，對此曲線進(jìn)行一次求導(dǎo)計算后，再進(jìn)行逆概率法分析，如Pi≥0.5，表示該點存在異常。Pi越大，缺陷范圍也大。
計算機(jī)的應(yīng)用，給繁雜的數(shù)據(jù)計算提供了方便。為了使這類計算更加有效和判斷更加準(zhǔn)確，考慮給各物理量以適當(dāng)?shù)募訖?quán)數(shù)則是有意義的問題。另外，頻譜是由波形經(jīng)過變換而來。這個變換涉及到時域樣本截取長度，采樣時間間隔的大小，以及窗函數(shù)形狀，如果處理不好，反而會增加誤差。
聲波透射法檢測鉆孔樁質(zhì)量的技術(shù)規(guī)程于1995年12月頒布，它起到了提高檢測質(zhì)量的作用。作者經(jīng)過幾年的實踐，特別是在不斷地用鉆孔取芯法對檢測結(jié)果進(jìn)行驗證后，對判據(jù)的適用性，可靠性又有了一些認(rèn)識。
首先是，以聲速的離差系數(shù)
定出的均勻性級別，對分辨樁身有無缺陷似不夠靈敏。
按規(guī)定，A級：0，0≤ε＜0，050；C級：0，10≤ε＜1，15；
B級：0，05≤ε＜0，10；D級：0，15≤ε＜1，00；
但是實際情況卻是不論樁完整與否，離差系數(shù)都為A，B級。
表1檢測樁的離差系數(shù)
工程項目 樁號 離差系數(shù) 芯樣完整性
多層建筑(三根聲測管) 27322 0.036 0.028 0.0330.024 0.045 0.0550.109 0.067 0.088 完整完整有幾處破碎
特高層建筑(四根聲測管) 21665414549 0.048 0.029 0.0870.029 0.038 0.0530.022 0.014 0.0400.016 0.048 0.0130.025 0.036 0.0510.021 0.019 0.0150.045 0.045 0.0360.056 0.020 0.0540.032 0.045 0.0380.039 0.044 0.0260.031 0.044 0.0300.050 0.028 0.036 完整完整有幾處破碎有幾處破碎有幾處破碎有幾處破碎
其次是臨界值的判斷，如僅就單獨一條曲線，即聲速－深度曲線，或波幅衰減值－深度曲線來分析，則其可疑點的數(shù)量就會較多，從而增加了需要作進(jìn)一步的分析和判讀的工作量，當(dāng)時間緊迫時就會難以做到，但如將這兩條曲線并列，并觀察其洞樁長的變化，即可明顯地看到那些聲速最低與波幅衰減最高相對應(yīng)的點僅剩幾個。如附圖所示，鉆芯證明這些點處都是有缺陷，該處混凝土膠極差，芯樣破碎成塊狀。
此外，在并列的兩條曲線上，往往看到同一深度處，聲速高，波幅反而衰減大；和聲速低，波幅反而衰減小的異常現(xiàn)象，如何解釋還有待研究。
三樁身混凝土強(qiáng)度的推算
人們普遍認(rèn)為混凝土聲速與其強(qiáng)度之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但影響混凝土聲速的因素很多，諸如粗骨料品種，粒徑，配合比，養(yǎng)護(hù)條件，含水率，混凝土的齡期，鋼筋排列等，如不將這些因素具體地確定下來，則波速和強(qiáng)度之間就沒有相關(guān)性可言。國外有的建材研究者（Chefdeville）提供的混凝土抗壓強(qiáng)度與聲速的關(guān)系包絡(luò)圖，在同一聲速下，抗壓強(qiáng)度變化在20MPa上下，這已不是測試結(jié)果的波動所造成的。
適用于地面以上建筑構(gòu)件的超聲回彈法的提出，表明針對某一地區(qū)或某一工程，將某些主要影響因素（如粗料的品種，用量，含水率，養(yǎng)護(hù)條件）固定下來，建立專用的“聲速－強(qiáng)度”公式和參數(shù)，對于均勻性良好的樁而言是可行的。在以花岡巖碎石為粗骨料的珠江三角洲，人們不斷地積累巖芯（試塊）的抗壓強(qiáng)度和聲速的相關(guān)數(shù)據(jù)。如東莞樟洋大橋鉆孔樁巖芯，平均抗壓強(qiáng)度為18.8MPa（單塊最低為17.9MPa），相應(yīng)的聲速為2113，2355，2322m／s；珠海淇澳大橋試塊的抗壓強(qiáng)度為41.8MPa，聲速為4300 m／s；成吉思汗大樓工地的試件，C50，C60，分別對應(yīng)聲速為4500，4700 m／s。樁基工程手冊（中國建筑工業(yè)出版社，1995年版）表14.4.4介紹了在試驗室里做的混凝土抗壓強(qiáng)度和聲速關(guān)系的試驗結(jié)果，C20對應(yīng)的聲速是3000～3250 m／s。國內(nèi)有的單位還建立了適用于本地區(qū)的R～V相關(guān)曲線。這些資料說明：
1．同一條件下，聲速越高，混凝土的強(qiáng)度也越高，但有離散性。如聲速3600 m／s可以相識破于C25，也可以是C30。
2．混凝土強(qiáng)度大于C35以后，聲速和強(qiáng)度的相關(guān)性較差，級差也變小。如由C15變成C20，聲速可以增加400～500 m／s，而由C35變成C40，聲速則僅增加200～300 m／s。作者根據(jù)已收集到的對比資料，針對珠海地區(qū)的情況，提出了不同強(qiáng)度混凝土的聲速變化范圍及其特征值，作為參考資料，滿足了生產(chǎn)單位的急需。
與地面以上建筑構(gòu)件的聲波測試相比，樁身位于地下，無法進(jìn)行樁身回彈試驗，這是一個不利條件，但有利的是，聲速探頭與混凝土的耦合條件較好，波幅衰減系數(shù)易于測量，為利用聲速，衰減系數(shù)這兩項參數(shù)與混凝土強(qiáng)度建立相關(guān)關(guān)系式提供了可能。但如何考慮聲速和衰減系數(shù)的加權(quán)值是有待研究的另一個問題。隨著特大直徑樁的日益增多，聲波透射法的應(yīng)用前景極其廣闊，提高聲波測試技術(shù)水平，將具有深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價值。
