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浅谈桥梁基桩声波透射法检测盲区危害性
摘要：声波透射法在检测桥梁大直径灌注桩的桩身完整性时存在着明显的检测盲区，导致大尺寸严重缺陷的漏检，其危害性被大大低估和忽视，给工程带来潜在的安全隐患。依托实际工程桩的声波透射法检测，较为详细地描述检测盲区和严重缺陷漏检的发现过程以及桩身缺陷所处位置和规模的危害性，分析声波透射法检测盲区产生的主要原因与机理，提出声测管埋设数量不应少于4根、增加对角线斜测剖面和综合多种检测方法等减小检测盲区范围及其危害性的解决方案。分析成果对确保声波透射法技术应用的科学性和检测结果的可靠性具有重要的现实意义。
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1、概述
铁路、公路及市政桥梁基础普遍采用大直径钢筋混凝土灌注桩。通常，桩径大于800mm，桩长超过30m。对于这种深大长桩的验收检测来讲，主要采用声波透射法判定桩身缺陷程度及其位置[1,2,3]。声波透射法采用超声波换能器沿着预埋的声测管通道深入桩身内部，不但可以近距离直观地测量缺陷及其位置，而且还可以通过测量多个剖面来全面地评价桩身质量[4]。由此，声波透射法的检测结果被广泛认可，且具有权威性。当前，桥梁大直径灌注桩几乎100%都采用声波透射法检测桩身完整性。这就意味着，我国每年声波透射法检测桩的数量十分庞大。
在声波透射法检测结果中，若实测的各个剖面的声学参数（如声时、声速、声幅、频率）均无明显异常，就会判定桩身完整，属Ⅰ类或Ⅱ类桩[5,6,7]，即不影响工程正常使用，满足规范和设计要求，桩身质量合格。然而，被判定为合格的桩，其桩身中真的没有缺陷了吗？这里的缺陷是指具有工程意义的缺陷，即可能给工程带来安全隐患的大尺寸严重缺陷。理论和实践表明，声波透射法应用中存在着严重的检测盲区。这就意味着，即便实测各个剖面声学参数无异常，并不能代表桩身中没有缺陷存在。相反，检测盲区的存在很可能导致大尺寸缺陷的漏检。就国家现行桩基检测规范的有关规定和工程实践来讲，桩径越大，声波透射法的检测盲区越大，可能漏检的缺陷尺寸越大[8]。为此，造成声波透射法技术应用的科学性和检测结果的可靠性大大降低。
依托某实际桥梁大直径钢筋混凝土灌注桩工程和模型桩试验，开展声波透射法桩身完整性判定中的检测盲区及其危害性研究，较为详细地描述检测盲区和严重缺陷漏检的发现过程以及桩身缺陷所处位置和规模的危害性，分析检测盲区产生的原因与机理，提出减小检测盲区范围的对策和解决方案。
2、检测过程
某高架桥梁基础采用大直径钢筋混凝土灌注桩，桩径1200mm。按照设计要求，桩身完整性须进行声波透射法检测，检测比例100%。现行规范规定，桩径大于800mm而小于或等于2000mm，声测管埋设数量不少于3根[9]。为此，各桩在成桩过程中均预埋了3根声测管，符合规范要求，这是此类工程中普遍采取的常规做法。
然而，在实际检测过程中，发现某些桩存在着明显的检测盲区和漏检的大尺寸严重缺陷。下面就典型的检测盲区和漏检缺陷发现过程进行较为详细地描述，从中可以看出漏检缺陷的尺寸大、位置浅及损伤程度高，给桩身质量和工程安全带来潜在的危害。
2.1被测桩的基本参数
S1桩的桩径1200mm，桩长37.0m，砼强度C30。声测管规格⌀50mm钢管，壁厚3.5mm。埋设时，声测管下端口封闭，上端口注入并充满清水后加盖，以使管内无异物。声测管连接处采用丝扣方式紧固，过渡光滑，无渗漏。3根声测管均高出桩顶200mm，管顶标高相同，在桩顶平面上呈近似120℃分布，如图1中的声测管ABC所示。
图1声测管布置示意图
2.2识别检测盲区
在首次声波透射法检测中，发现AB剖面和CA剖面分别在桩顶以下7.4～8.2m和6.9～8.0m存在缺陷，BC剖面无异常。为了验证缺陷类型、埋藏深度和严重程度等详细情况，采用钻芯法对桩顶以下10.0m内的桩身混凝土进行取芯检测。根据实测曲线和初判缺陷位置，钻芯孔选定在桩中心附近，如图1中的钻芯孔D所示。钻芯结果显示，除上述深度位置的缺陷外，在其上部即桩顶以下3.2～6.0m范围内桩身混凝土存在着另一个较大尺寸的严重缺陷。缺陷芯样表现为破碎、不完整，呈块状，如图2所示。从实测的声速、声幅、PSD等声学参数来看，该段桩身并没有出现任何异常。显然，如此明显的缺陷竟然被漏检了，表明声波透射法存在着较大的检测盲区。
随后，利用钻芯孔D与声测管A、B、C进行组合再次进行声波透射法检测，发现AD、BD和CD剖面分别在桩顶以下3.4～6.4m和7.8～9.1m、3.2～5.5m、3.5～7.5m存在缺陷，表明桩中心附近在桩顶以下3.2～9.1m范围内存在着不规则的较大尺寸的严重缺陷。
图2缺陷芯样照片
钻芯孔D与声测管A、B、C组合实测各剖面的声学表现类似，以AD剖面为例，如图3所示。图中虚线表示声速和声幅临界值，低于临界值的部分表示该处桩身混凝土存在缺陷。从中可清楚地看出，有上下两个深度位置曲线声速和声幅急速减小且覆盖较大区域，表明存在严重缺陷。BD和CD剖面均在上部相近深度位置出现类似的声学变化。最初的声波透射法检测中只发现了下部缺陷，而漏检了上部缺陷。由于钻芯孔D位于桩中心附近，故说明桩中心附近存在着较大区域的检测盲区以及严重缺陷的漏检情况。
图3AD剖面实测曲线
为了验证检测盲区以及进一步查明缺陷分布状况，开展了第二次钻芯法检测。根据所有声测曲线和首次钻芯结果，将第二个钻芯孔布置在声测管AB与钢筋笼之间，如图1中钻芯孔E所示。第二次钻芯同样钻进取芯深度为10.0m。钻芯结果表明，在桩顶以下3.0～8.3m范围内存在若干缺陷。与图2显示类似，芯样破碎、不完整，呈块状。
利用钻芯孔E与声测管A、B、C和钻芯孔D组合，再次进行声波透射法检测，发现AE、BE、CE和DE剖面分别在桩顶以下3.0～5.5m和8.4～9.1m、3.2～6.1m、3.6～6.4m、2.6～7.0m存在缺陷。实测各剖面的声学表现类似，以BE剖面为例，如图4所示。从图中可以清楚地看出，上部曲线异常，存在严重缺陷。显然，钻芯孔E附近的上部严重缺陷也在最初的声波透射法检测中被漏检了。
图4BE剖面实测曲线
如果仅仅依靠最初的3个声测管A、B、C组合剖面是无法检测到钻芯孔D和E附近的上部严重缺陷的。本例中，若没有钻芯孔D和E，如此大尺寸的严重缺陷肯定会被漏检。这充分证明了声波透射法在检测桩身完整性时存在着较大的检测盲区。
3、检测盲区产生原因及对策分析
检测盲区的存在直接影响了声波透射法应用的科学性和检测结果的可靠性，给工程带来潜在的严重的安全隐患，应引起高度重视。
3.1产生原因及危害性分析
理论上，声波透射法是基于发射和接收换能器组合获取有效声场的声学参数，来判定桩身缺陷程度及其位置。有效声场是指发射和接收换能器之间在超声波传播路径上混凝土的声扰动，呈椭圆形或椭球体状空间分布，是一个细长的窄带区域。实践中，通过埋设若干根声测管，为发射和接收换能器深入桩身混凝土内部产生有效声场创造了条件。声测管数量越多，发射和接收换能器组合的检测剖面数量越多，有效声场所覆盖的桩身范围越大，盲区就会越少，漏检的缺陷数量也会越少。随着声测管数量的增加，即便存在盲区，漏检的缺陷也不会是大尺寸缺陷，工程危害性减小。图5为声测管布置及有效声场分布示意图，阴影部分为有效声场的分布，空白区域为检测盲区。可见，3根声测管的检测盲区远大于4根声测管。因此，声测管数量不足是造成检测盲区和漏检大尺寸严重缺陷的主要原因。
图5声测管布置及有效声场分布示意图
我国规范规定，桩径800～2000mm时，布置声测管数量不少于3根；桩径大于2000mm时，声测管数量不少于4根。美国ASTM规范规定，声测管数量以桩径尺寸为计算依据，按每250～300mm布置一根声测管[10]。假如桩径1500mm，在我国通常布置3根声测管，即满足规范要求；而在美国就必须布置5～6根声测管，才能满足规范要求。由此可见，对于桥梁大直径灌注桩来讲，我国规范关于声测管数量的要求相比于美国少很多。声测管数量的不足将不可避免地导致检测盲区的范围增加以及漏检大尺寸严重缺陷的风险加大。
3.2对策分析
桥梁大直径灌注桩的桩径通常介于800～2000mm之间，少量工程大于2000mm，以1200mm、1500mm和1800mm为多。针对这类桩的声波透射法检测，提出如下解决对策并加以分析。
(1）及早修正规范，将每根桩声测管埋设数量强制性规定为不应少于4根。声测管数量越多，对减小盲区范围越有利，但检测和施工成本将会加大，检测和施工周期也会延长。这就要求在检测结果的可靠性与检测成本、工期等因素之间寻求一个平衡点。建议每根桩布置声测管数量应不少于4根。这样，发射和接收换能器组合就会有6个检测剖面。相比于当前规范规定的3根声测管3个检测剖面，有效声场的覆盖空间会大幅增加，检测盲区范围显著减小，漏检缺陷数量也会随之减少。
(2）增加对角线斜测剖面。声波透射法包含有平测、斜测和扇形扫测等三种测试方式。依据现行规范，一般情况下，常规检测采用平测方式，即发射换能器T和接收换能器R以相同标高同步移动测量。只有当遇到可疑测点时，才建议在其附近采用斜测或扇形扫测方式。扇形扫测方式操作上较为繁琐，往往不会被采用。斜测是发射换能器T和接收换能器R保持固定高差且同步移动的测量方式。在实际检测过程中，比较简便易行，可以被纳入到常规检测规定之中。为此，建议在声测管数量增加至4根的基础上，增加2个对角线斜测剖面测量。这样，对于大直径灌注桩来讲，至少有8个检测剖面用于评价桩身质量，有利于减小检测盲区范围。
(3）综合法检测。桥梁大直径灌注桩的浅部缺陷对上部结构安全运行至关重要。在声波透射法检测的基础上，增加低应变法检测规定。低应变法在现场实施非常方便，它利用应力波反射原理，识别桩身整个横断面上的阻抗变化，可有效发现15m以内桩身大尺寸严重缺陷。检测结果可以与声波透射法进行相互比对。当两者不一致时，采用钻芯法进行验证。这样，利用多种方法相互配合，不但可以有效地发现浅部严重缺陷，同时也会大大降低检测盲区存在的危害性。
4、结语
依托实际工程，开展声波透射法桩身完整性判定中的检测盲区及其危害性分析，得到如下结论和建议：
(1）声波透射法在检测桥梁大直径灌注桩的桩身完整性时，存在着较大的检测盲区。它直接影响着声波透射法应用的科学性和检测结果的可靠性，给工程带来严重的潜在安全隐患。
(2）桥梁大直径灌注桩的桩径一般以800～2000mm为多，当前仅埋设3根声测管便满足现行规范要求。相比于美国规范，我国对声测埋设管数量的规定明显偏少，将不可避免地导致检测盲区范围大，加大了桩身大尺寸严重缺陷漏检的风险。因此，建议每根桩声测管埋设数量不应少于4根。
(3）在声测管埋设数量至少4根基础上，增加对角线的2个斜测剖面测量。这样，对于桥梁大直径灌注桩来讲，至少有8个检测剖面用于评价桩身质量，有利于减小检测盲区范围。
(4）针对浅部缺陷危害性，建议采用声波透射法与低应变法、钻芯法等相互配合。这样，利用多种方法检测，不但可以有效地发现浅部严重缺陷，同时也会大大降低检测盲区存在的危害性。
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