聲波透射法及鉆芯法在建筑樁基檢測中的應用研究

陳育光

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

樁基礎屬于隱蔽工程， 如果施工質量控制不當，可能造成建筑物產生坍塌、開裂等病害，甚至造成較大的經濟損失和人員傷亡。如何選擇經濟合理的檢測方法以判定樁基礎的缺陷，是檢測人員要解決的關鍵問題[1]。因此，進一步研究聲波透射法及鉆芯法在建筑樁基檢測中的應用意義重大。

1 建筑樁基檢測原理分析

目前， 基樁完整性檢測常用的方法主要是聲波透射法和鉆芯法[2]。

1.1 聲波透射法檢測原理

1.1.1 超聲波聲學特性

超聲波是指頻率大于20 kHz 的聲波，其用于樁基檢測時所涉及的判定參數主要有聲速和聲幅。 其中聲速是樁基完整性檢測中的一個相對穩定的參數，主要受波的類型、介質、檢測對象的邊界條件等因素的影響。聲幅是反映混凝土材料性能衰減的參數， 且隨著聲波傳播距離的增加而減小。樁身某一點的相對聲幅值Ax可按式⑴計算[3]。

式中：px—第x 個測點的首波波幅值；p0—基準幅值。

1.1.2 超聲波檢測原理

探頭所發射的聲波會在發射端和接收端間形成聲場，當樁基完整性好時，最短傳播路徑可視為發射探頭間的直線距離，再根據聲波在兩測管間的傳播聲時（需扣除系統延遲時間），即可計算出其傳播聲速；當樁基內部有斷裂、夾泥、離析等病害時，會破壞聲波傳播的連續性，聲波可能透過或繞過樁身缺陷傳播，使波速計算值偏小。此外，空氣和水的聲阻抗較小，聲波傳播過程中遇到蜂窩、空洞等中間有空氣的缺陷界面將產生反射現象，使得聲能衰減，聲波波幅降低。

1.2 鉆芯法檢測原理

鉆芯法是利用鉆機沿著建筑樁基內側鉆取混凝土芯樣的一種巖芯鉆探技術，適用于大直徑的鉆孔灌注樁。 檢測人員根據芯樣的外觀、抗壓強度測試結果等綜合判定樁身完整性。 相對于聲波透射法， 鉆芯法能更直觀的觀察樁基內部的混凝土質量，但是鉆芯法設備復雜、成本較高，會破壞樁體，且“以點代面”，取樣部位有限，盲區較大，易產生誤判或漏判。

2 建筑樁基檢測方案要點分析

2.1 聲波透射法檢測樁基的技術要點

2.1.1 樁頭處理

在檢測前要將樁頂松散、破損的混凝土進行鑿除，破出堅硬混凝土面，并將樁頂外露的主筋切割掉，防止干擾正常波形。

2.1.2 聲測管設計

聲測管是徑向換能器的通道， 應沿鋼筋籠內側對稱布置，并沿順時針方向依次編號，如圖1 所示[4]。

圖1 建筑樁基聲測管布置示意

根據JGJ 106—2014 《建筑基樁檢測技術規范》，建筑樁基內聲測管布置數量取決于樁徑D。當D≤0.80 m、0.8 m＜D≤1.6 m、1.6 m＜D≤2.5 m 時，樁基內部應分別至少布置2 個、3 個、4 個聲測管；如果樁徑超過2.5 m 時，應增加聲測管數量。

此外，基樁檢測所選用聲測管的強度和剛度應滿足設計要求， 以免混凝土灌注時擠壓聲測管變形，無法放入超聲波探頭。 目前，建筑基樁檢測常用的聲測管有鋼管、鋼波紋管、PVC 管等。 鋼管安裝方便，但價格較貴，一般用在大直徑灌注樁檢測中；鋼波紋管管壁薄、抗滲性好、強度高，可直接綁扎在鋼筋籠主筋上， 在樁基檢測這種應用最多；PVC 塑料管聲阻抗率較低，常用于小直徑灌注樁[5]。

2.1.3 標定延遲時間

為了準確計算聲波在聲測管之間的傳播聲時，需要對測定系統延遲時間進行準確標定，具體措施如下：①將發射、接收換能器平行地放入清水中；②不斷改變點源距離，測出相應聲時，繪制時距曲線；③按式（2）計算聲時t。

式中：t0—時間軸截距，us；b—斜率，us/mm；l—換能器中心間距，mm。

2.1.4 樁基完整性判定方法

利用聲速判斷樁身缺陷時， 可使用低限值法，見式（3）。 需注意，該方法要求聲速測量值的波動不大。

式中：Vi—第i 個測點的聲速值，km/s；VL—聲速低限值，km/s。 當滿足式（3）時，說明該樁基第i 個測點位置有缺陷。

當測量振幅小于振幅臨界值時，樁身可能存在缺陷，具體計算方法見式（4）和（5）。

式中：n—測點個數；AD、Am—分別為聲幅臨界值和聲幅平均值，dB；Ai—第i 個測點聲幅值，dB。

PSD 判據建立了測線深度與時間線之間的函數關系。這表明：當聲時發生變化，PSD 也將發生大幅變化。因此，PSD 判據對建筑樁基的缺陷較敏感，還可排除因聲測管不平行所引起的誤差。

2.2 鉆芯檢測樁基的技術要點

2.2.1 鉆孔數量和位置

鉆芯用于檢測樁基完整性時， 鉆孔數量應根據樁徑D 確定。當D＜1.2 m、1.2 m≤D≤1.6 m、D＞1.6 m，樁基應分別至少鉆1～2 個孔、2 個孔、3 個孔。 如果鉆芯是為了對樁身質量、檢測樁底沉渣或樁端持力層進行驗證檢測時，每根受檢樁可只鉆1 個孔。

當樁基鉆1 個孔，鉆孔位置宜距樁中心10～15 cm；當樁基鉆孔數超過2 個， 鉆孔位置宜在距樁中心（0.15～0.25）D 的范圍內對稱布置。

2.2.2 鉆進要求

建筑樁基鉆芯時要保證鉆機設備穩固、底座水平，在鉆芯過程中禁止發生傾斜、移位，鉆芯孔垂直度偏差≤0.5%。同時，每次鉆孔進尺宜＜1.5 m，鉆至樁底時，宜采取減壓、慢速鉆進等措施[6]。

2.2.3 芯樣抗壓強度

建筑樁基的鉆孔芯樣抗壓強度測定應結合GB 75081—2019 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，抗壓強度fcor計算見式（6）。

式中：P—混凝土芯樣破壞荷載，N；d—試件直徑，mm。

3 建筑樁基檢測具體案例

3.1 工程概況

受業主委托，對廣州市白云區某建筑項目的樁基礎進行聲波透射法和鉆芯檢測，以確定樁基的完整性。 檢測工程樁的編號為73#，設計參數見表1。

表1 檢測樁的設計施工資料

3.2 檢測結果分析

3.2.1 聲波透射法檢測結果

聲波透射法對73# 樁基的聲速和聲幅檢測結果見表2。

表2 樁身質量完整性檢測結果

3.2.2 鉆芯法檢測結果

鉆芯法的檢測結果判定， 該樁基完整性為Ⅰ類，混凝土芯樣抗壓強度代表值為44.4 MPa，滿足設計要求；檢測樁長與施工記錄一致；但樁底沉渣較厚，不滿足設計要求。

綜合73# 樁的鉆芯法檢測和聲波透射法檢測結果可知，兩種檢測方法對樁身缺陷位置的評判基本相符，均為樁底位置出現缺陷。 后經反復排查，發現該樁清孔完成后，泵站供料不及時，使清孔間隔6 h 后才開始灌注混凝土，導致泥漿出現沉積或孔壁泥土坍落在樁底，從而造成樁底沉渣過厚。 經與設計單位溝通，提出了樁底沉渣清孔、并注漿補強的處置方案。

4 結論

（1）超聲波檢測建筑樁基缺陷時，其判定參數有聲速、波幅及PSD。

（2）利用超聲波技術檢測樁基前要破樁頭，并按設計文件和現行規范要求埋設聲測管，并標定系統延遲時間。

（3）鉆芯法檢測時要嚴格控制鉆孔數量、鉆孔位置、鉆孔垂直度，并利用萬能試驗機測定混凝土芯樣的抗壓強度。

（4）技術人員應從完整性、混凝土芯樣強度、樁底沉渣等方面綜合判定建筑樁基的使用性能，如存在不滿足設計要求的地方，應及時查明原因，采取相應的控制措施。