（矿业工程专业论文）混凝土灌注桩工程质量超声波检测理论、方法及应用.pdf

山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 论文对目前在混凝土灌注桩完整性检测中的几种常用方法进行了系统的综述 比较，由于超声脉冲法具有检测细致、信息量丰富，结果准确可靠，不受桩长限制 等优点，已成为混凝土灌注桩( 尤其是大直径灌注桩) 完整性检测的重要手段，并 在工程建设中得到了广泛的应用。 文章叙述了灌注桩完整性的概念，分析对造成桩身产生离析、夹泥、缩颈、疏 松不密实等缺陷的原因进行了剖析，并对其危害进行了分析，提出了运用检测方法 与实际现场施工状况相结合来对灌注桩缺陷的类别进行判断的方法。 本文系统介绍了超声脉冲检测的理论基础，论述了声波在混凝土中的传播规律 以及混凝土超声检测的波场特点，以及声学参数与混凝土质量的关系。全面系统的 介绍了混凝土灌注桩超声检测过程中数据的处理方法：由于混凝土的非均质性，混 凝土质量的波动是由偶然误差引起的，是正常的，它的分布符合正态分布，由此认 为在正常情况下实测声学参数符合正态分布，而缺陷是由过失误差引起的，它的分 布将偏离正态分布，与其对应的声学参数也将偏离正态分布。因此，我们可以用概 率法来判断混凝土中是否存在质量缺陷。当混凝土中无缺陷存在时，所测得的声学 参数在一定范围内正常的离散与波动，而当遇到某种缺陷的时候，由于声波信号在 两种介质面上产生绕射、折射、反射等一系列的变化，导致所测得的声学参数将产 生突变。根据这一特点，本文应用p s d 斜率法对混凝土的质量缺陷进行判断，取得 了良好的检测效果。为了对缺陷的性质、位置及大小进行进一步的判别，又采用了 加密测量及声阴影法对缺陷可疑处进行了重复检测，提高了检测精度，避免了误判 和错判，为工程的进一步施工提供了可靠的质量保证。 关键词：混凝土灌注桩，完整性，超声检测，概率法，p s d 斜率法 些查型垫查兰三堡堕圭堂垡丝苎塑 a b s t r a c t t h et h e s i ss y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e ds e v e r a lk i n d so fc o m m o nm e t h o d sf o r i n t e g r a l i t yd e t e c t i n go fc o n c r e t ec a s ti n s i t up i l e sa tp r e s e n t b e c a u s et h e s u p e r s o n i cp u l s es c h e m eh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sd e t e c t i n gc a r e f u l l y ， t h ea b u n d a n ti n f o r m a t i o n ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l er e s u l t s ，n o n l i m i t i n gf o rt h e l e n g t ho fp i l e s i th a sb e e nb e c o m i n gt h ei m p o r t a n tm e a n sf o rt h ei n t e g r a l i t y d e t e c t i n go fp i l e s ( e s p e c i a l l yl a r g ed i a m e t e rp i l e s ) a n dw i d e l yu s e di nt h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e rn a r r a t e dt h ec o n c e p to fi n t e g r a l i t y ，a n a l y z e dt h er e a s o n s w h i c hc a u s et h ed e f e c t s ，s u c ha st h ep i l e b o d ye m a n a t i r e ，i n s e r tm u d ， c o n t r a c tn e c k ，l o o s ea n dg e t t i n gc l o s e l yk n i t ，a n da n a l y z e dt h ee n d a n g e r o fi t t h em e t h o df o rj u d g i n gt h ei sp u tf o r w a r d ，i nw h i c ht h ec l a s s i f i c a t i o n o fd e f e c t si sj u d g e db ym e a n so fd e t e c t i n gm e t h o d st oc o m b i n ew i t hr e a l o n t h e s p o tc o n s t r u c ti o ns t a t e t h i st e x t s y s t e mi n t r o d u c et h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fs u p e r s o n i c p u l s es c h e m ea n de x p o u n dt h es u p e r s o n i cw a v es p r e a dm e t h o d ，t h ew a v ef i e l d c h a r a c t e r i s t i c sa m o n gc o n c r e t ea n dt h er e l a t i o nb e t w e e na c o u s t i c sp a r a m e t e r a n dc o n c r e t eq u a l i t y i ts y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e dt h et r e a t m e n tm e t h o do f t h ed a t ao fa ns u p e r s o n i cd e t e c t i o np r o c e d u r e b e c a u s eo ft h eq u a l i t yo ft h e c o n c r e t e ，t h ef l u c t u a t i o no fc o n c r e t eq u a l i t yi sc a u s e db ya c c i d e n t a le r r o r ， w h i c hi sn o r m a l ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fi ti sa c c o r dt on o r m a ld i s t r i b u t i o n i ti st h i n kt h a t s u r v e ya c o u s t i c sp a r a m e t e rd a t u mc a l c u l a t ea c c o r dw i t h n o r m a ld i s t r i b u t i o n ，b u tt h ed e f e c ti sc a u s e db yh u m a ne r r o r ，i t s d i s t r i b u t i o nw i i id e v i a t ef r o mn o r m a ld i s t r i b u t i o n t h ec o r r e s p o n d i n g a c o u s t i c sp a r a m e t e r sw i l ld e v i a t ef r o mn o r m a ld i s t r i b u t i o nt o o t h e r e f o r e w ec a nj u d g et h eq u a l i t yd e f e c ti nt h ep i l eb o d yb yt h ep r o b a b i l i t ys c h e m e ， w h e nt h e r ei sn od e f e c t i o ni ni t ，t h en o r m a ld i s p e r s e da n df l u c t u a t i o n sw i t h i n t h es p e c i f i cl i m i t so fa c o u s t i c sp a r a m e t e r sh a de x a m i n e d ，a n dw h e nm e e ta 2 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 a c o u s t i c sp a r a m e t e r sh a de x a m i n e d ，a n dw h e nm e e tac e r t a i nd e f e c tt of i x a st h ea c o u s t i cs i g n a lp r o d u c e ds u c has e r i e so fc h a n g e s ，f o ri n s t a n c e ， t h ed i f f r a c t i o n ，r e f r a c t i o n ，r e f l e c t i o ne t co nt h et w ok i n d so fm e d i u m t h ea c o u s t i c sp a r a m e t e r se x a m i n e dm u s tp r o d u c es u d d e nc h a n g e s a c c o r d i n g t ot h i sc h a r a c t e r i s t i c ，t h i st e x tu s e dp s ds l o p es c h e m et o j u d g et h e q u a l i t yd e f e c to ft h ec o n c r e t e ，w h i c hh a dm a d eag o o dm e a s u r i n gr e s u l t i no r d e rt oc a r r yo nf u r t h e rd i s c r i m i n a t i o nf o rt h ed e f e c t sn a t u r e p o s i t i o na n ds i z e ，w em e a s u r e dt ot h es u s p i c i o u sp l a c eo ft h ed e f e c t r e p e a t e d l ya f t e ra d o p t i n ge n c r y p t i n gm e a s u r e m e n ta n das o u n do fs h a d e s c h e m e ，w h i c hh a v ei m p r o v e dt h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r ea n dh a v ev o i d e d j u d g i n gb ya c c i d e n ta n dm i s j u d g i n g ，s ot h a tt h er e l i a b l eq u a l i t ya s s u r a n c e f o rf u r t h e rc o n s t r u c t i o no ft h ep r o j e c t i so f f e r e d k e y w o r d s ：t h ec o n c r e t ec a s ti n s i t up i l e ， i n t e g r a l i t y ， u i t r a s o n i cw a v e d e t e c t i n g ，t h ep r o b a b i l i t ys c h e m e ，p s ds l o p es c h e m e 3 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交子其 它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名： 寻夏 日期：如媳占夕 a f f i r 诅t 1 0 n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ea w a r do fd o c t o ro fd o c t o ro fp h il o s o p h yi ns h m l d o n g u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do f a c k n o w l e d g e t h ed o c u m e n th a sb e e ns u b m i t t e df o r q u a l i f i c a t i o na to t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e d a t e ： u 吲w 沙咬6 罗 山东科技大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出 桩基础是最古老的基础形式之一。早在新石器时代，人类在湖泊和沼泽地里栽木桩 搭台作为水上住所。我国在汉代已用木桩修桥。到宋代，桩基础已比较成熟。早期的桩 多为木桩，2 0 世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，出现了钢筋混凝土预制桩，到上世纪 6 0 7 0 年代，随着大型钻孔机械的发展。出现了钻孔灌注桩。1 ，作为一种基础形式，混 凝土灌注桩具有很多优点：刚度大，稳定性好，抗震性能好：沉降量小，承载能力 大：可解决特殊地基的承载力问题；施工噪音小，适用于城市改造和人口密集场地 等。随着国家基础设施建设的快速发展。桩基在矿山、高层建筑、桥梁、重型厂房、港 口码头、海上采油平台、以及核电站等大型工程中大量采用，已成为我国工程建设中最 重要的一种基础形式。 桩的作用在于穿过软弱的可压缩性土层，把来自上部结构荷载传递到更密实、更坚 硬、可压缩性较小的土壤或岩石上。桩在工作时要承受上部结构的垂直轴向荷载，还要 承受上部结构因风力、水流、撞击等横向推力所引起的侧向荷载或弯矩，以及在地震状 态下的复杂应力。因此，桩的质量将对整个结构物的安全起决定性作用。我国每年的用 桩量超过3 0 0 万根，其中沿海地区和长江中下游地区占7 0 8 0 ，近年来，涉及桩基 础质量问题而直接影响建筑物结构正常使用与安全的事例屡见不鲜。桩基础工程的质量 直接关系到整个建筑物的安危。由于桩基工程属于地下隐蔽性工程，施工工序较多、工 艺流程相互衔接紧密，环环相扣，不宜长时间停顿，主要工序的旌工过程都在地下或水 下进行，不便监视，而且在施工过程中常会遇到各种意想不到的工程地质问题，如地下 渗流、流沙层，淤泥层等，引起塌孔和缩孔等客观因素的影响，以及混凝土灌注过程中 出现停顿，拨管过快或导管拨空等原因，桩身易产生离析、夹泥、断桩、缩径、疏松不 密实等缺陷。这些缺陷将严重影响桩的承载能力、耐久性、强度等各性能参数，从而直 接影响到上层建筑物的安全。据统计，现场灌注桩在施工中桩身混凝土出现缺陷的概率 为1 5 2 0 。因此，桩基础工程的试验和质量检验尤为重要，设计前、施工中和施工 后都要进行必要的试验和检验。随着我国基本建设的迅猛发展，桩基工程检测技术也在 不断更新和提高，新的理论、方法将不断涌现。 目前，对灌注桩的质量检测主要从两个方面进行，一是桩的承载力、一是桩身混凝 1 生查登垫查兰三矍塑主兰些堕苎! 竺堡 土的完整性”。一般在设计无误的前提下，如果桩身完整性达到要求，桩的承载力一般 都能达到要求，而承载力合格的桩，其完整性不一定能满足要求。因此，对于混凝土灌 注桩来说，完整性检测显得尤为重要。其中常用于桩身完整性检测的方法主要有：钻芯 法、超声脉冲法及低应变动力法的反射波法。 钻芯法是利用工程地质钻机在桩身混凝土中钻一竖向勘探孔，可取出芯样观察和检 测不同高程混凝土的质量状况，也可依靠仔细地监视钻进速率和水中带出的钻渣的颜色 和成分来判别混凝土质量。钻芯法虽然直观可靠，但价格昂贵，工程量大，时间长，一 般不使用。 反射波法是根据桩头受到一次竖向冲击后，冲击波在桩身混凝中向下传播时遇 到缺陷的界面或桩的底面发生反射而返回桩顶的时间、相位、幅值、频率等来判断缺陷 的类型、位置的一种方法。该法也可对桩长进行核对。根据波的传播速度对混凝土强度 做出总体的粗略估计。该法由于简便易行、使用较广，但它主要依靠反射波进行间接判 断。由于低应变动测法对基桩深部缺陷的反映不灵敏，且当桩径过大，桩身存在多处缺 陷，桩长大于4 d m 时，低应变动测法就很难得出准确的检测结果，容易造成误判。这在 相关的检测规程中已有明确表述。 超声脉冲法则是通过在桩内预埋的检测孔道，将超声换能器直接放入桩内部，逐点 发射和接收脉冲，通过接收信号的声时、波幅、波形等参数，逐点判断混凝土的质量， 并分析缺陷性质、位置、范围及缺陷的严重程度。该检测方法具有检测仪器轻便、抗干 扰能力强，观测准确度高、结果直观可靠等优点，因此超声波检测法是目前灌注桩质量 检测中比较理想、可行的无损检测方法。 i 2 国内外研究现状 i 2 1 国外混凝土声学检测技术的发展概况“ 混凝土作为一种工程中最重要、用量最大的复合材料，自1 9 世纪初问世以来，已有 近2 0 0 年的历史。在这一漫长的发展过程中，如何赋予它一些明确的性能指标，以及如 何获得和控制这些性能，一直是人们在应用中不断探索的问题之一。如何测定这些性能， 则是上述检测的基础。首先被采用的混凝土性能试验方法是“试件试验”。早在1 9 1 1 年 英国皇家建筑学院( r i b a ) 的研究报告中，就己把立方体抗压强度试验列为推荐方法， 此后迅速被各国采用，并一直延用至今。这类方法以试件破坏时的实测值作为衡量混凝 此后迅速被各国采用，并一直延用至今。这类方法以试件破坏时的实测值作为衡量混凝 些查型垫查兰三堡堡圭兰竺笙苎! 堕笙 土强度的性能指标。“试件试验”方法已延用了近一百年，已成为混凝土结构设计、施工 及验收规范的基本依据。但由于试件中的混凝土与结构物中的混凝土质量、受力状态， 混凝土成型和养护条件都不可能完全一致，所以试件实测值只能被认为是混凝土在特定 条件下的性能反映，而不能完全确切地代表结构物原位混凝土的质量状况。尤其是对已 建成的老建筑及受灾害因素影响的建筑物需要对其安全性做出评估时，“试件试验”就更 无法满足要求。因此，人们一直希望找到一种能在建筑物原位直接测量混凝土各项性能 指标的方法。 早在2 0 世纪3 0 年代初，人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法，致使该方 法取得了迅速的发展。1 9 3 0 年首先出现了表面压痕法。1 9 3 5 年格里姆( g g r i m e t ) 、艾 德( j m i d e ) 把共振法用于测量混凝土的弹性模量。1 9 4 8 年施米特( e s c h m i d ) 研制 成功回弹仪。声学技术用于检测混凝土的突破性进展应当是始于1 9 4 9 年，加拿大的莱斯 利( l e s l i e ) 和奇斯曼( c h e e s m a n ) 、英国的琼斯( r j o n e ) 等运用超声脉冲进行混凝土无 损检测获得了成功。接着，琼斯又使用放射性同位素进行混凝土密实度和强度检测，这 些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。随后，许多国家也相继开展了这方面的研究。 如前苏联、罗马尼亚、日本等国家在5 0 年代都曾取得许多成果。6 0 年代，罗马尼亚的 弗格瓦洛( i f a c a o a r u ) 提出用声速、回弹法综合估算混凝土强度的方法，为混凝土无 损检测技术开辟了多因素综合分析的新途径。6 0 年代声发射技术被引入混凝土检测体 系，吕施( l r u s c h ) 、格林( a t g r e e n ) 等人先后研究了混凝土的声发射特性，为声发 射技术在混凝土结构中的应用打下了基础。8 0 年代中期，美国的m a r ys a n a s l o n e 和 n i c h o l a sj c a r i n o 实现了在水泥混凝土等集结型非金属复合材料中采用机械波反射法 进行无损检测的目标。此外，无损检测的另一个分支钻芯法、拔出法、射钉法等半 破损法也得到了发展，从而形成了一个较为完整的混凝土无损检测方法体系。 随着混凝土无损检测方法日臻成熟，许多国家开始了这类检测方法的标准化工作， 其中以a s t m 所颁布的有关标准最多，这些标准有硬化混凝土射入阻力试验方法 ( c 8 0 3 8 2 ) 、结构混凝土抽样与检测方法( c 8 2 3 8 3 ) 、混凝土超声脉冲速度试验方法 ( c 5 7 9 8 3 ) 、硬化混凝土回弹试验方法( c 8 0 5 8 5 ) 、就地灌注圆柱试样抗压强度试验 方法( c 8 7 3 8 5 0 ) 、硬化混凝土拔出强度试验方法( c 9 0 0 8 7 ) 、成熟度估算混凝土强 度的方法( c 1 0 7 4 - 8 7 ) 等。此外还有硬化混凝土超声脉冲速度的测定( d i n i s o8 0 4 7 ) 、 俄罗斯的混凝土超声测强度( g o s t1 7 6 2 4 ) 、英国的测试混凝土中超声速度( b s 1 8 8 1 ：p a r t2 0 3 ) ，捷克斯洛伐克的用超声脉冲检测混凝土的方法( 8 t n7 3 - 1 3 7 1 ) 等。 3 当查型苎查兰三堡堡主兰竺逢壅 ! 堕丝 与此同时国际标准化组织( i s o ) 及材料与结构试验研究国际联合组织( r e l e m ) 也先后 提出了若干项相关的国际标准。这些工作对结构混凝土无损检测技术的工程应用起了良 好的促进作用。 近年来，国外在这方面的研究工作方兴未艾，尤其值得注意的是，随着科学技术的 发展，无损检测技术也突破了原有的范畴，涌现了一批新的测试方法，包括微波吸收、 雷达扫描、红外热谱、脉冲回波等新技术。而且，测试内容由强度推定、内部缺陷探测 等扩展到混凝土耐久性检测、结构物损伤程度检测、早期强度检测、高性能混凝土强度 及脆性检测等更广泛的范畴，其功能由事后质量检测，发展到了事前的质量反馈控制。 1 2 2 混凝土声学检测技术在我国的发展 利用声波的方法检测建筑结构物的情况可以追溯到古代，例如，用敲击物体发出的 声音频率来判断物体的致密程度、有无裂纹、剥落及内部空洞，直到现在在日常生活中 也经常使用。 我国在这一领域的研究工作始于2 0 世纪5 0 年代中期，开始引进瑞士、英国、波兰 等国的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了许多研究工作。6 0 年代初即开始生产回 弹仪，并研制成功了多种型号的超声检测仪：在检测方法方面也取得了许多进展。7 0 年 代以后，我国曾多次组织力量合作攻关，8 0 年代着手制订了一系列技术规程，并引进了 许多新的检测技术，大大推进了结构混凝土无损检测技术的研究和应用。随着电子技术 的发展，仪器的研制工作也取得了新的成就，并逐步形成了自己的生产体系。9 0 年代以 来，无损检测技术继续向更深的层次发展，许多新技术得到应用，检测人员队伍不断扩 大，素质迅速提高。纵观整个发展历程，我国无损检测技术的发展可以从下面几个方面 加以叙述： ( 1 ) 在测试技术方面的发展嘲 早在2 0 世纪5 0 年代中期，随着我国基本建设规模的扩大，混凝土无损检测技术就 已引起工程界的重视。当时，我国与建设工程有关的主要研究院所及高等院校都开展了 这方面的研究工作，并将研究内容列入了我国第一个科技发展十二年规划。 在早期的研究中值得一提的是同济大学在该领域中做出了开拓性的贡献。当时的同 济大学声学教研室与材料研究室在我国著名声学专家魏墨庵教授的带领下首先开展了 混凝土超声检测方法的研究”，试验研究了混凝土强度及配合比参数与超声脉冲速度、 衰减系数等声学参数之间的相互关系，并于1 9 6 4 年研制出我国第一台超声仪。 4 些查型苎查兰三堡堡主堂堡垒苎! 堕堡 6 0 年代初，我国已能生产回弹仪，并对回弹法的研究日趋成熟。在超声法研究方面， 主要是运用超声脉冲法进行裂缝探测及运用专用曲线法进行强度检测，并大量引进前苏 联及东欧国家的研究成果和检测经验。与此同时，在国内也有许多新的探索：在测强方 面，一些研究都试图消除混凝土中砂石含量对“声速强度”关系的影响，以便得到 一条适应范围较广的基准曲线。在这方面提出的主要方法有：水泥净浆声速核算法”1 、 砂浆声速核算法“”以及声速衰减综合测强法”等。但这此方法都因测试方法或核算方法 的烦琐而未能得到广泛应用。然而它所提出的问题和思路，至今仍对测强研究有所启示。 在测缺方面，提出了用概率法判断缺陷的方法。删，使原来的经验判断上升为判据判断。 7 0 年代后期，我国混凝土无损检测技术的研究进入了一个新的发展期。1 9 7 8 年，以 中国建筑科学研究院、陕西省建筑科学研究院为首组成了以建工系统为主的全国性协作 组，其后又吸收其他系统单位参加。协作组的成立加强了各单位间的交流，也就一些共 同关心的问题进行了合作研究，例如超声测试中仪器零读数( t o ) 问题，协作组对零读 数产生的机理、不同介质仪器零读数的差异及如何进行统标定曾进行过联合试验和研 究。 2 0 世纪8 0 年代，研究工作得到快速发展，具体如下： 中国建筑科学院进行了综合法测强的研究“”“，首次提出了北京时区的综合法测 强曲线。 南京水利科学研究院进行了超声法测强，超声法测量缺陷和裂缝深度研究。 同济大学进行了超声测缺，超声法测强，超声法测厚及超声波检测仪的研究。 湖南大学进行了超声检测影响因素及混凝土中声波衰减及频谱分析的研究。 陕西建筑科学院进行了测缺、超声法测量火灾后损伤层厚度的研究。 这些研究取得了一系列首创性的成果，包括： 测强方面：超声测强的主要影响因素：石子的品种、粒径、用量“2 ”；钢筋的影 响及修正“”；混凝土湿度、养护方法的影响及修正嘲；测试距离的影响及修正m ；测 试频率的影响及修正等。 测裂缝方面：平测法测裂缝的方法及修正距离的确定n 1 1 、钢筋的影响及修正 “2 ”、 钻孔法测裂缝的研究及应用。、测斜法测裂缝的研究及应用“”2 2 1 等。 测缺陷方面：概率判断法的进一步改进和完善嘲、斜测交汇法的研究及应用“”、缺 陷尺寸的估计“”、多参数综合判断的应用“”、波形方面的研究扭1 、频率测量方面的研 究和应用、衰减系数、频谱分析应用测定方法的研究。7 “、火灾后损伤层厚度的测定方 5 些奎型垫查兰三里塑主堂堡丝苎 ! 堕丝 法“”等。还有许多单位加入这一行列中，做了许多研究、工程运用、推广普及方面的工 作。 随着超声检测技术的发展，应用的范围不断扩大，研究深度不断加深。5 0 6 0 年代， 从在地上结构检测发展到地上和地下、水下，包括一些陷落性工程，如灌注桩、地下防 渗墙、水下结构的检测m 、坝基及灌浆效果的检测阻3 等；从一般两面临空的梁、柱、 墩结构检测发展到单向临空的大体积检测，探测距离从1 2 发展到l o 2 0 m ；从以声 速一个参数为主发展声速、振幅、频率、波形多参数的综合运用“2 ”叫。特别在超声 探测缺陷、裂缝方面，形成了从测试方法、数据处理到分析判断的一整套技术。在实际 工程应用中取得了良好的效果，许多大工程都采用了超声检测。 在应用的发展方面，8 0 年中期有一个重大发展，这就是超声波检测混凝灌注桩。 1 9 8 4 年，湖南大学和河南省交通厅等单位首次运用超声波法在灌注桩预埋钢管中进行了 检测“”，在郑州黄河大桥的灌注桩检测中取得了成功，并提出了另一种判断桩内缺陷 的方法：声参数一深度曲线相邻两点之间的斜率与差值之积，简称p s i ) 判断。其后，还 出现了其它一些判断分析的方法，随后，许多单位相继开展了混凝土灌注桩超声波检测 的开发研究工作1 。由于声波法测桩具有不受桩长桩径的影响，探测结果精确可靠的优 点，很快在国内普遍推广应用，特别是大型桥梁的桩基检测中普遍采用声波法，取得了 很好的社会经济效益，成为超声法检测混凝土的一个新热点。 作为上述成果的必然结果，我国在8 0 年代开始制订了一系列有关混凝土检测技术规 程并进行了多次修订，其中包括回弹法检测混凝土抗压强度技术规程、超声回弹综 合法检测混凝土强度技术规程、超声法检测混凝土缺陷技术规程、后装拔出法检测 混凝土强度技术规程、基桩低应变动力检测规程、水运工程混凝土试验规程及水 工混凝土试验规程等行业标准和协会标准。随后，一些省市也编制了相应的地方规程。 各项规程的不断完善，大大促进了无损检测技术的工程应用和普及。 进入9 0 年代以来我国建设工程质量管理引起广泛的关注并提出一系列重大举措， 从而进一步加强了无损检测技术在建设工程质量管理中的作用和责任，也进一步推动了 检测方法方面的蓬勃发展，已有方法更趋成熟和普及，同时新的方法不断涌现。其中， 雷达技术、红外成像技术、冲击回波技术等都进入了实用阶段，在声学检测技术方面的 最大进展，则体现在对检测结果分析技术方面的突飞猛进，例如在测缺技术方面，其分 析判断方法由经验性判断上升为数值判据判断，又由数值判据上升为成像判断。测量仪 器也由模拟型仪器发展成为数字型仪器，为信号分析提供了物质基础。 6 些至型垫查堂三堡堕主竺垡堡塞 ! 堕笙 总之，混凝土无损检测技术的发展虽然时快时慢，但由于工程建设的实际需要。它 始终具有较强的生命力。可以预料，随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大， 无损检测技术的发展前景是广阔的。 ( 2 ) 检测仪器方面的发展1 混凝土声测仪器与混凝土声测技术是在相互制约而又相互促进的过程中得到发展 的，我国混凝土声测仪器的发展大致经历了4 个阶段： 6 0 年代是声波检测技术的开拓阶段，声测仪是电子管式的仪器，如u c t - 2 型、c t s 一1 0 型等，现已被淘汰。 7 0 年代是超声检测方法研究及推广应用阶段，声测仪是晶体管化集成电路模拟超声 仪，首先推出的是湘潭无线电厂的s y c 一2 型等，这类仪器一般具有示波及数码管显示装 置，手动游标读取声学参量，市场拥有量约有几千台，为推动我国混凝土声测技术的发 展发挥了重要作用。在7 0 年代中期我国生产的非金属超声仪及其配套使用的换能器与国 外同类仪器相比( 如美国c n c 公司的p u n d i t 型，波兰的n 2 7 0 1 ，日本m a r u t 公司的 m i n 一1 1 5 0 0 3 型等) ，在技术性能方面已达到或超过它们的水平。 8 0 年代是进一步发展与提高阶段，8 0 年代初期国外推出了电脑控制的声波检测仪 ( 如日本o y o 公司的5 2 1 7 a 型等) ，混凝土超声仪进入了数字化仪器阶段，数字化声学信 号数据处理技术的应用，推动了声测技术的发展，而我国却由于多种原因在计算机的应 用方面落后国外水平。8 0 年代末到9 0 年代初，这批仪器均采用z 8 0 c p u ，通过仪器与微 机的联系，实现了不同程度的声参量的自动检测，并具有一定的处理能力，使现场检测 及后期数据处理速度大大加快。但由于受到数据采集速度以及存储容量和软件语言的限 制，无法实时动态地显示波形变化。难于承担需要大量处理单元和调整运算能力支持的 信息处理工作，也不便于构件的再开发。作为初级数字化超声仪的代表型号为c t s 一3 5 型，c t s 一4 5 型和u t a 2 0 0 0 a 型。 9 0 年代是追赶并超过国际水平的阶段，随着声测技术的发展，检测市场的扩大以及 计算机技术的深入应用，自9 0 年代中期以来，我国各种型号的数字式超声仪相继问世， 首先推出的是北京市市政工程研究院( 北京康科瑞公司) 的n m - 2 a 型，随后该型仪器不断 更新，形成了n m 系列，n m 系列超声仪的最大特点是在计算机和数据采集系统之间，通 过调整数据的传输( d m a ) 方式，实现了波形的动态实时显示，并以软硬件相结合的方式， 创造性地解决了声学参量的自动判读技术，从而在高噪声弱信号的恶劣测试条件下，仍 然可快速准确地完成自动检测，大大提高了测试精度和测试效率，对超声检测技术的推 7 堕查型茎查堂三望堡主兰些丝奎 ! 堕笙 广是有力的推动。之后相继推出的有岩海公司的r s u t o i c 型、同济大学的u - s o n i c 型、 岩土所的r s m s y 2 等等。 总之，各种检测设备的研制和生产，为混凝土无损检测技术提供了良好的物质基础。 1 2 3 声波检测法研究现状 用超声法检测灌注桩混凝土质量是超声法无破损检测各类混凝土构件质量的一项具 体应用。 用声学的方法检测结构混凝土可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，那时以锤击作震源，测 量声波在混凝土中的速度，粗略地判断混凝土质量。目前采用的这种超声脉冲法始于2 0 世纪4 0 年代后期。 1 9 4 9 年，加拿大的莱斯利( l e s l i e ) 、切斯曼( c h e e s m a n ) 和英国的琼斯( j o n s ) 、 加特费尔德( o a t f i e l d ) 首先把超声脉冲检测技术用于结构混凝土的检测，开创了混凝 土超声检测这一新领域，随着测试技术的深入和发展，仪器设备的不断改进和完善，这 项测试技术在世界各国得到普遍推广和应用。 目前，世界许多国家及国际学术团体都先后制定了混凝土超声检测的规程、方法或 建议。 我国自2 0 世纪5 0 年代开始这项技术的研究，在2 0 世纪6 0 年代已应用于工程检测。 随后试制生产了国产超声仪。近2 0 多年来发展尤为迅速。混凝土超声检测技术已应用到 建筑、水电、交通、铁道各类工程中。检测应用的范围和深度也不断扩大，从地面上部 结构的检测发展到地下结构的检测；从一般小构件的检测发展到大体积混凝土的检测； 从单一测强发展到测强、测裂缝、测缺陷、测破坏层厚度、弹性参数的全面检测：探测 距离从2 0 世纪5 0 年代的1 m ，发展到能探测2 0 m 的混凝。电子计算机技术也应用到混 凝土超声检测的自动化及数据处理、分析及判断中，提高了检测技术的准确性和可靠性。 在仪器设备方面，超声仪已由初期的电子管仪器发展到今天的数字式仪器，不但有 较强的数据采集、量测、存贮功能，还具有对数据进行自动处理、分析的功能。 目前，混凝土超声检测方法( 包括灌注桩声波检测) 已正式列入一些部门、地方和 工程标准化委员会的规程中0 1 “”。 超声法检测灌注桩混凝土质量是近l o 多年逐渐发展起来的一种检测方法。它具有以 下优点： ( 1 ) 检测细致，结果准确可靠；( 2 ) 不受桩长桩径限制；( 3 ) 无盲区，声测管埋到 8 坐变型塾查兰三望堡主堂堡丝奎! 堕堡 什么部位就可检测到什么部位，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度：( 4 ) 毋须桩顶露出 地面即可检测，方便施工；( 5 ) 可估算混凝土强度。 正因为如此，虽然该方法需预埋声测管，费用较高，但仍然得到广泛采用，特别是 桥梁、高层建筑的大型、特大型灌注桩的检测。 1 3 课题研究的主要内容及方法 由于混凝土灌注桩具有承载力大、稳定性好、沉降量小、可满足特殊地层的承载力 要求、适应性广等诸多优点，所以一些施工难度大、要求高的大型工程大多采用混凝土 灌注桩这一基础形式。但由于灌注桩属地下隐蔽性工程，施工工序较多、而且在施工过 程中常会遇到各种意想不到的工程地质问题，如地下渗流、流沙层，淤泥层等，引起塌 孔和缩孔等客观因素的影响，以及混凝土灌注过程中出现停顿，拨管过快或导管拨空等 原因，桩身易产生离析、夹泥、断桩、缩径、疏松不密实等缺陷。这些缺陷的存在将影 响桩的承载力、强度以及耐久性，从而影响到整个建筑物的安全，因此灌注桩的质量检 测显得尤为重要。 本文主要是结合苏北某高速公路跨河特大桥基础的混凝土灌注桩的完整性检测工作 而进行的，该基础按设计要求采用混凝土灌注桩，通过对混凝土灌注桩完整性各种检测 方法优缺点的比较，确定超声脉冲法是现行混凝土灌注桩质量检测中的最佳完整性检测 方式。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 为了对灌注桩的超声检测方法有一个较全面的认识，以便对检测结果做出正确的 判断，本文对钻孔灌注桩的施工特点以及施工过程中可能出现的质量缺陷进行了阐述， 对各种缺陷的成因及危害进行了推敲，提出了运用检测方法与实际施工情况相结合对灌 注桩缺陷的类别进行判断的方法。 ( 2 ) 详细论述了声波在固体介质中的传播规律，对声波在不同介质中传播特点、在介 质分界面上的反射、绕射、折射和透射进行了探讨，简单叙述了混凝土灌注桩声波检测 中所用的超声脉冲波的特点以及声波的衰减特性，得出声波探测缺陷的理论基础及原理： 1 ) 超声波在混凝土中遇到缺陷时产生绕射，可以根据声时及声程的变化，判别和计 算缺陷的大小； 2 ) 超声波在缺陷界面产生散射和反射，接收换能器的声波能量( 波幅) 显著减小， 些查型茎查兰三塞堡主堂堡丝壅 ! 堑兰 可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小： 3 ) 超声波中各频率成份在缺陷界面衰减程度不同，接收信号的频率明显降低，可根 据接收信号主频或频率谱的变化分析判别缺陷情况。 4 ) 超声波通过缺陷时部分声波会产生路径和相位变化，不同路径或不同相位的声波 叠加后，造成接收信号的畸变，可参考畸变波形分析判断缺陷。 ( 3 ) 对检测数据的处理与判断： 根据检测数据近似符合正态分布的特点，提出了运用概率法作为判断混凝土中是否 存在质量缺陷的依据；根据在质量探测过程中声波遇到缺陷时声波信号产生突变的特点， 提出了运用p s d 斜率法判断混凝土质量缺陷，并详细叙述了p s d 判据在不同混凝土质量 缺陷中的表述形式。运用上述两种方法，对混凝土灌注桩检测数据进行了处理和缺陷可 疑点的判别，取得了很好的效果。在运用数值判据对缺陷可疑点做出判断后，为进一步 判断缺陷的性质、位置及大小，提出了采用细测和声阴影法对灌注桩进行重复检测，提 高了检测精度，避免了缺陷的误判和错判，为工程的进一步施工提供了质量保证。 山东科技大学工程硕士学位论文 2 。钻孔灌注桩的完整性及其常见缺陷 2 钻孔灌注桩的完整性及其常见缺陷 2 1 灌注桩的完整性 灌注桩的作用在于穿过软弱地层，把来自上部结构荷载传递到更密实、更坚硬、可 压缩性较小的土壤或岩石上。灌注桩在工地条件下，现场灌注成桩，施工工艺较为复杂， 影响灌注质量的因素较多，极易形成各种缺陷而影响桩身的完整性。 灌注桩的综合质量体现在以下三方面，即承载力，桩的完整性、桩的耐久性，其中 承载力因桩体较大用本方法难以准确测量，而当地下无明显腐蚀介质而且桩身完整时也 未见有因耐久性破坏的报导。所以完整性是混凝土灌注桩质量的主要指标。 所谓灌注桩的完整性是指桩身混凝土质量均匀，无全断面断裂及影响断面承载面积 或导致钢筋外露的明显缺陷。据研究，混凝土灌注桩完整性不合格的概率高于承载力不 合格的概率a 换而言之，在设计无误的前提下，完整性合格的桩，承载力一般都能满足 要求。而承载力合格的桩，完整性不一定能满足要求，其耐久性也不一定能满足要求。 2 2 灌注桩的常见缺陷 灌注桩按承载方式可分为端承桩和摩擦桩两类。端承桩将上部压力通过桩身传入基 岩，而摩擦桩则靠桩壁与土层的摩擦力，将上部压应力逐渐分散传给土层。因此在这两 种形式的桩中，由于桩身各部位应力的不同，缺陷出现的部位对它的危害也是不一样的。 例如，桩顶的低强区对两种桩都很有害，而桩底沉渣则对端承桩更为有害。 桩身混凝土中的缺陷与施工方法密切相关。不同的施工方法出现缺陷的类型以及不 同类型的缺陷出现的几率都不一样。按混凝土的灌注方式而言，灌注桩可分为水下灌注 和干孔灌注两类。 2 2 1 水下灌注桩的常见缺陷 图2 1 a 为水下灌注的成桩过程示意图，混凝土通过导管注入，顶托封口混凝土或砂 浆，排出孔中的泥浆，逐渐灌满桩孔。水下灌注施工时，可能出现的缺陷有以下几种( 见 图2 1 b ) ： ( 1 ) 断桩( 包括全面夹泥或夹砂) 山东科技大学工程硕士学位论文 2 钻孔灌注桩的完整性及其常见缺陷 这类缺陷多半因为导管提升时不慎冒口，新注入的混凝土压在封口砂浆及泥浆上， 以及因机械故障而停止灌注过久，提升导管时把已初凝的混凝土拉松，或继续施工时对 表面未加清理等原因所致。断桩部位往往不是一个薄层，而是具有相当厚度的一个缺陷 段，检测时不难发现。 图2 2 干孔灌注及常见的缺陷示意图 a 一千孔灌注过程示意图；b 一千孔灌注时可能形成的常见 f i g 2 1s c h e a t l cd r a w i n go ff 口i l i a rd e f e c t sa n dc a s t i n gm e t h o do f c a s t i ns i t up i l eu n d e rw a t e r 断桩严重影响桩的承载能力，检测时不应漏检或误判。断桩对承载力的影响程度与 其出现的位置有关，应按桩的受力状态分析，但断桩均应采取适当措施修理或加固。 ( 2 ) 局部夹泥或缩径 这类缺陷一般是由于混凝土导管插入深度不适当，导致混凝土从导管流出往上顶托 对，形成湍流或翻腾，使孔壁剥落或坍塌，形成局部断面夹泥或周边环状夹泥。 局部截面夹泥或缩径将影响桩的承载面积，同时由于钢筋外露而影响耐久性，对这 类缺陷检测是尽可能检出其面积大小，以便核算桩的承载能力。 ( 3 ) 分散性泥团及“蜂窝”状缺陷 其成因与孔壁因混凝土骚动而剥落有关外，还与混凝土离析及导管中被压入的气