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摘要：钻孔桩灌注桩由于其高承载能力，成熟的建筑技术而广泛应用于桥梁、铁路、高速公路和市政隧道等领域。然而，钻孔灌注桩是一个重要的隐蔽工程，成孔、焊接、泥浆、沉渣以及混凝土的浇筑等因素都会影响到工程质量，施工难度大。
关键词：超声波；低应变；检测方法；基桩检测
1、超声检测桩基基本原理
超声波检测也叫超声检测，属于常规五种无损检测方法的一类。在特定的方向上超声波声束可进行集中，以直线的方式在介质当中进行传播，这样就有很好的指向性。超声波会有散射以及衰减出现在介质的传播当中，会有折射、反射、波型转换出现在异种介质的界面上。从缺陷界面反射回来的反射波能够通过这些特性取得，进而将对缺陷进行探测的目的完成。但能量上，超声波大于声波。在固体当中，超声波不会有很大的传输损，在有很大的探测深度，因为在固体中超声波出现折射与反射之类的现象，特别是气体固体界面不能够通过。一旦有裂纹、气孔、分层等缺陷出现在金属中，超声波被传播到这当中去时会部分或全部反射。探头接受反射回来的超声，在之后处理有仪器内部的电路，就会有不同高度和有一定间距的波形在仪器的荧光屏上上显示出来，能够依据波形的变化特征，对在工件中缺陷的位置、深度以及形状来进行判断。因此混凝土桩内的混凝土不密实时，结构内材料存在松散、蜂窝、孔洞等桩体严重缺陷。同上述所讲，在遇到缺陷面时，发出的超声波会被反射，经过处理后，依靠波形的特征获得混凝土桩的密实度参数。
混凝土灌注桩声波透射法检测的主要工作原理：在桩身中预埋若干根声测管、声测管材质可以是铁管或PVC管、管内充满水作为声耦合剂。测试中，两个传感器保持同步移动，发射传感器发射超声脉冲通过桩身混凝土到达接收传感器接收。由于超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性；当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波达到该界面时，产生波的透射和反射，使接收到的透射波能力明显降低；如果混凝土中存在松散、蜂窝、孔洞等内部缺陷，声波将产生散射或绕射；依据波的初至时间和波的能量衰减特征、频率变化及波形畸变等，可以获取测区范围内混凝土的密实度参数。测试记录不同侧面、不同高度上的超声波动特性，经过处理分析就能判别内部缺陷的性质、大小及空间位置。
2、低应变检测原理
低应变检测基本原理是用较小的力锤敲击桩顶，给桩一定的能量，使桩中产生应力波。检测和分析应力波在桩中的传播历程，便可以分析出桩基的完整性弹性波在传播过程中遇到弹性介质突然发生变化的界面，将会产生反射和透射，根据波的反射时间和桩体中的波速就可以估算出桩长或缺陷的位置。
2.1 弹性杆内的波动方程
当柱体的横向尺寸与波长相比很小时，可以用一维波动理论描述杆和波动问题。波在杆中传播速度c，与杆的弹性模量E、截面积A密切相关，并存在：
Z=EA／C （1）
式中：z 为杆的波阻抗。
设应力波为 F（t），当应力波从波阻抗 z1界面传播到 z2 界面时，则应力波发生反射波豫Fr（t）和透射波 FT（t）。
FR（t）= F（t）（Z2-Z1）／（Z2+ZI） （2）
Fr（t）=2F（t）Z2／（z2+z1） （3）
根据（2）、（3）有如下推论：
（1）均匀完整桩（桩径一高产田，桩质量均匀）：不存在反射波FR（t）和透射波FT（t），输入应力波F（t）不发生变化，达到桩底（Z2=0），只有反射波FR（t），且 FR（t）=F（t）。
（2）不均匀桩（桩径发生变化，或桩身混凝土质量发生变化）：①桩波阻抗Z降低，表现为桩径缩小或桩身混凝土质量降低，此时，产生应力波反射（FR（t）为负，拉应力反射）。②桩波阻抗Z增加，表现为桩径增加或桩身混凝土弹性模量 E 增加，此时，产生应力波反射（FR（t））为正，压应力反射）。
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2.2 低应变检测条件
（1）低应变检测是建立在一维杆波动理论基础上。即杆的长度远大于杆的直径。一般情况下，桩长应大于10倍桩径。
（2）低应变是因为锤击能量较低，不足以引起桩体发生位移或位移趋势而得名，对于较长的桩基，锤击能量沿桩身传播。由于周围土的摩阻力等外界因素影响而降低。不同的检测仪器有不同桩长条件限制，一般适用于桩长小于30倍桩径的桩对于较大直径的短粗桩或较长的桩，宜采用超声波法、高应变法或抽芯试验方法进行检测，建议不采用低应变检测，以免作出错误的结论
3、超声波与低应变两种检测方法的特点对比
3.1 在工程应用方面的优势。超声波透射法与低应变反射波法同时都具备设备轻便、检测效率高、成本低、技术比较成熟的特点，因此一般在工程检测中都会选择这两种检测方法作为普查手段
3.2 检測模式类似。超声波透射法与低应变反射波法均属于半直接法，即在现场原型试验的基础上，基于一些理论假设，并结合程检测人员个人经验加以综合分析，最终确定工程基桩质量；二者都是依靠一些物理参数的变化来判定桩身完整性。和其它一些物理检测方法一样，两种检测方法在最终结果的判定上均存在多解性。例如桩身中的空洞、夹泥、离析以及接桩等缺陷，均可能引起物理参数的变化，因此如果仅从所测的山线来判断，两种检测方法均很难确切表明是何种缺陷，还需要必须结合现场地质、施工等情况进行综合判定。
3.3 机理基础类似。超声波透射法与低应变反射波法研究的都是由于质点运动而引起的机械波，只不过声波透射法研究的是桩身横截面处质点的振动情况，而低应变法则研究的是桩顶与传感器接触点的质点振动情况。
4、超声波与低应变两种检测方法在基桩检测中的差异
4.1 检測原理的差异。超声波透射法主要应用声波透射过混凝土的原理，通过分析声学参数变化，对被測混凝土的缺陷进行判定；低应变法则是把桩看作一维弹性杆状体，波在混凝土“杆件”中波阻抗发生变化的地方发生反射，形成反射波，通过对反射波的研究分析，从而判定桩身完整性。
4.2 波长方面的差异。低应变反射波法的应力波波长以米计，应力波沿基桩纵轴线传播，因此要求桩长应远大于桩径，一般至少大于五倍桩径，此时测得声速近似于杆的波速；超声波透射法应用时的波长量级是以厘米计算，以桩的横向剖面作为波的传播方向，此时测得的波速可大致看作体波波速
4.3 检測范围方面存在不同。使用低应变反射波法进行检测时，由于受桩間土约束、激振能量、桩身材料阻尼、传感器、桩身截面阻抗变化和浅部盲区等因素的影响，应力波从桩顶传至桩底、再从桩底反射回桩顶的传播过程是一个能量迅速衰减的过程。若桩身截面变化较大或者检测桩长过长，都可能岀现应力波还没有返回桩顶甚至还没有到达桩底，能量就已经完全耗散或者提前反射的情况。因此低应变实际上存在一个有效检测桩长，在这个桩长范围内，低应变反射波法可以很好的检測，桩底反射信号明显；而声波透射法一般不受桩长的限制，只要是声测管可以设置到的地方，都是可以被超声波透射法有效检测。但是由于声波透射法应用的声波頓率相对较高，波长较短，在混凝土中传播时，波的能量衰减的很快，传播的距离也相对比较短。随着科学技术的快速发展，现在探测混凝土的长度也从原来的1.0米发展到如今的20.0米。
4.4 对桩身缺陷的灵敏度差异。低应变反射波法由于其检测原理，只能判断广义上的缩径和扩径，无法确定其具体缺陷类型，对桩身截面渐变的积不够灵敏。特别是对多缺陷桩，低应变法一般只能确定从桩顶向下的第一处缺陷，对以下的缺陷就很难表现出来：而超声波透射法的检測范围劐只取决于声测管的长度，无论桩身存在几处缺陷，均能通过声学参数的变化准确确定缺陷位置、类型及影响程度。如有必耍，可通过密测、斜測、扫测等方式椭确測量，甚至可以沿桩身每厘米进行检测；结果准确可靠，借助经验判断的人为干扰相对较少；无检測盲区，对桩顶低强区和桩底沉渣厚度的检测准确。
4.5 检測盲区的差异。低应变反射波法由于受到激振方式的影响，在桩头附近存在一段检测盲区，这个盲区的范围受到激振频字的影响，激振频字越高，浅部盲区范围越小，但同时会由于能量衰减快而形成深部盲区。超声波透射法则因其检測原埋，盲区为声测管以外的混凝土，对于扩径和轻徵缩径无法有效检測，无论对于摩擦桩还是嵌岩桩，扩径均有利于提高基桩承载力所以从实际意义上讲，超声波透射法唯一的盲区就是声测管以外的轻微缩径范围。
5、结论
通过对超声波法和低应变法在实际桩基检测中的应用分析，形成以下结论：
1、如果桩长且桩径较大，低应变法很难获得桩底反射，所以对40米以上的长桩，不适合用低应变反射波法检測。而超声波透射法则不受桩长、桩径的限制。
2、超声波透射法无法检测扩径和轻微缩径，而扩径有利于提高桩基的承载能力，所以超声波透射法唯一的缺点是难以检测声测管以外的轻微缩径范围；而低应变反射波法检測可以判断扩径和缩径，但是存在桩头盲区，有定的局限性。所以建议在平时的基桩检测工作中，结合两种方法对桩基的质量进行判定。
参考文献
[1]超声波法和低应变法在桥梁基桩检测中的应用探析[J].王彪. 黑龙江交通科技.2014（06）
[2]超声波法和低应变法在桥梁基桩检测中的应用探析[J].赵玮. 黑龙江交通科技.2013（07）
[3]超声波法和低应变法在桥梁基桩检测中的应用[J].刘占文. 山西建筑.2012（29）
[4]超声波投射法与低应变法在基桩检测中的对比分析[J].吴刚. 贵州大学学报（自然科学版）.2011（06）
论文作者:郭建维
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年4期
论文发表时间:2019/6/21
标签：反射论文; 超声波论文; 应变论文; 混凝土论文; 缺陷论文; 应力论文; 盲区论文; 《建筑学研究前沿》2019年4期论文;