桥梁灌注桩超声波法和反射波法检测技术

1、桥梁灌注桩超声波法和反射波法检测技术概述 超声波法和反射波法超声波法和反射波法的优缺点 静荷载试验法 概述灌注桩的质量检测格外重要。目前工程中常用的钻孔灌注桩质量的检测方法主要分为两大类：基桩承载力检测和基桩完整性检测关于基桩承载力检测 承载力检测的方法有静荷载试验法、高应变法、动参数法、机械阻抗法(稳态、瞬态和随机激振)、水电效应激振频谱法和共振法。静荷载试验法称之为静力检验法，其它方法均称之为动力检验法。国内外工程实践证明，用静力检验法测试单桩竖向承载力，尽管有很多不利的因素，但还是不可替代的，其试验结果的可靠性也是无容质疑的。 而对于动力检验法确定单桩竖向承载力，无论是高应变法还是低应变

2、法，均是近几十年来国内外发展起来的新的测试手段，目前仍处于发展和继续完善阶段。基桩检测方法分类静载试验静载试验动载试验 (大应变和小应变)另一类是灌注桩完整性检测。 灌注桩桩身完整性的检测方法主要有低应变法和超声波法，这两种方法优势独特，也正好弥补了静力检验法的不足。尤其是在大型的灌注桩工程中，不能也不可能在一个工程中做大量的静载试验。 目前，在全国各地的桥梁建设中，桥梁桩基实行普查，有的地区采用反射波法，有的地区采用超声波法，也有的地区根据具体情况以上两种方法都采用，并规定了两种方法的使用比例。超声波法和反射波法超声波法和反射波法以其设备轻便灵巧、现场工作量小、检测效率高、检测费用低等优点得

3、到了广泛应用。2.1、超声法（CECS 21:2000）超声脉冲波检测混凝土缺陷的原理 超声脉冲波在混凝土中遇到缺陷时产生绕射，可根据声时及声程的变化，判别和计算缺陷的大小； 超声脉冲波在缺陷界面产生散射和反射，到达接收换能器的声波能量(波幅)显著减小，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小； 超声脉冲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； 超声脉冲波通过缺陷时，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，造成接收信号波形畸变，可参考畸变波形分析判断缺陷。 检测方式 根据声测管埋置的不同情况，可以有如

4、下三种检测方式：（1）双孔检测（2）单孔检测（3）桩外孔检测 以上三种方式中，双孔检测是公路桥梁桩基检测中普遍采用的基本形式，其他两种方式只作为特殊情况下的补救措施。测前准备和要求 (1)预埋检测管 （2) 现场检测前测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间，并应按下式计算声时修正值： （3）在检测管内应注满清水。 （4）将每2根检测管编为一组，并测量每一组检测管中心间的距离。检测方法 首先将装设有扶正器的接收及发射换能器置于检测管内，调试仪器的有关参数，直至显示出清晰的接收波形，且使最大波幅达到显示屏的三分之二左右为宜； 然后宜由检测管底部开始，将发射与接收换能器置于同一标高，测取声时、波幅或

5、频率，并进行记录； 第三，发射与接收换能器应同步升降，测量点距2040cm，各测点发射与接收换能器累计相对高差不应大于2cm，并应随时校正；发现读数异常时，应加密测量点距。 检测数据的处理与桩身完整性判定 （1）概率法 （2）PSD判据法正态分布小误差比大误差出现的机会多，即小误差的概率大。大小相等而符号相反的误差出现的概率相等，故误差分布曲线对称于纵。极大的正负误差出现的概率非常小。故大误差一般不会出现。标准误差越小，曲线中部升得越高，两旁下降得越快，曲线突起，说明观测值集中，相反，当标准误差大时，曲线变得越加扁平，说明观测值分散。所以标准误差标志着一组数据的观测精度，越小则精度越高，越大则

6、精度越低。 （3）波幅(衰减量)判据法 波幅(衰减量)比声速对缺陷反应更灵敏，可采用接收信号能量平均值的一半作为判断缺陷临界值。波幅值以衰减器的衰减量q表示，波幅判断的临界值qd有下列关系： -波幅临界值（dB） -波幅平均值（dB） 1倍 610倍 20 100倍 40100万倍 120桩身完整性类别判定 类桩：各声测剖面每个测点的声速、波幅均大于临界值，波形正常。类桩：某一声测剖面个别测点的声速、波幅略小于临界值，但波形基本正常。类桩：某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值小于临界值，PSD值变大，波形畸变。类桩：某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值明

7、显小于临界值，PSD值突变，波形严重畸变。 反射波法 反射波法源于应力波理论，适用于检测桩身混凝土的完整性，推定缺陷类型及其在桩身中的位置，也可以对桩长进行校核，对桩身混凝土强度等级作出估计。基本原理： 在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，在桩身存在明显波阻抗界面(如桩底、断桩或严重离析等部位)或桩身截面积变化(如缩径或扩径)部位，将产生反射波。经接收、放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。据此计算桩身波速、判断桩身完整性和混凝土强度等级。 反射波法检测系统检测方法 1.首先凿去被测桩桩头浮浆，平整桩头，切除桩头外露过长的主钢筋，将传感器稳固地安置在桩头上；2.然后检查

8、仪器设备，进行激振方式和接收条件的选择试验，确定最佳激振方式和接收条件，设置有关参数；3.最后进行多次重复激振与接收，出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试，重复测试的波形与原波形应具有相似性。 实测曲线分析与判定 （1）反射波波形规则，波列清晰，桩底反射波明显，易于读取反射波到达时间及桩身混凝土平均波速较高的桩为完整性好的单桩。（2）反射波到达时间小于桩底反射波到达时间，且波幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射波的桩，系桩身断裂。（3）桩身混凝土严重离析时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。（4）缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判

9、别，同相为缩径，反相为扩径。（5）当有多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应仔细甄别，并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析。有条件时尚可使用多种检测方法进行综合判断。 （6）桩体浅部断裂的定性评价，可通过横向激振，比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。 （7）在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。 （8）桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。桩身完整性类别 类桩：桩端反射较明显，无缺陷反射波，振幅谱线分布正常，混凝土波速处于正常范围。

10、类桩：桩端反射较明显，但有局部缺陷所产生的反射信号，混凝土波速处于正常范围。 类桩：桩端反射不明显，可见缺陷二次反射波信号，或有桩端反射但波速明显偏低。 类桩：无桩端反射信号，可见因缺陷引起的多次强反射信号，或按平均波速计算的桩长明显短于设计桩长。 反射波法和超声波法比对检测 反射波法和超声波法目前在全国应用都比较普遍，但由于各地的地质条件不同、桩长桩径变化较大、加之对这两种方法的优缺点认同度差异，各地采用这两种方法比例差别较大。 比较典型桩的测试分析结果 报告格式及内容见 JTG/T F81-01-2004工程名称渭南桩基检测基地桩 编 号5测试桩长13.4m设计桩径0.6m砼 标 号C20

11、灌注日期年 月 日检测日期2005年 04月15日地质概况 015m,粘土；实测反射波曲线波形分析 桩身完整，桩底反射明显，混凝土质量良好，与超声法检测结果基本一致。备 注 标准试验桩，反射波形也比较标准。表1 反射波法检测曲线分析表 工程名称长安大学桥梁实验室试验桩桩 编 号1#测试桩长14.50m设计桩径1.40m砼 标 号C25灌注日期2001年 06 月 08 日检测日期2005年04月16日地质概况 016.00m粘土；实测反射波曲线波形分析 桩身完整，桩底反射明显，混凝土质量良好，与超声法检测结果基本一致。备 注 标准试验桩，反射波形也比较标准。表2 反射波法检测曲线分析表 工程名

12、称长安大学桥梁实验室试验桩桩 编 号2#测试桩长15.10m设计桩径1.40m砼 标 号C25灌注日期2001年 06 月 08 日检测日期2005年04月16日地质概况 016.00m,粘土；实测反射波曲线波形分析 桩身完整，桩底反射明显，在7.8处桩身有缩径反射信号（预埋砂袋），混凝土质量良好，超声法未检测出缩径，其他二者检测结果基本一致。备 注 标准试验桩，反射波形也比较标准；对于轻微缩径（当缩径范围在声测管之外时），超声法不能检测出。表3 反射波法检测曲线分析表 工程名称郑少高速公路寺泉沟中桥桩 编 号1-2测试桩长15.50m设计桩径1.2m砼 标 号C25灌注日期2002年08月0

13、8日检测日期2002年08月20日地质概况大卵石土层。实测反射波曲线波形分析 该桩超声波法检测结果为类桩，桩身在6.7-9.5m之间全断面裹夹泥砂蜂窝；反射波法检测结果为桩身在7.0、9.8m处有缺陷反射信号，桩底反射信号不明显。备 注该桩反射波形比较复杂，多处反射信号很难判定，现场应结合地质资料、施工记录综合分析，否则容易误判。表10 反射波法检测曲线分析表 寺泉沟中桥1-2桩在7.38.1m处取出的芯样 工程名称新郑高速公路刘江互通式立交桥桩 编 号7-5测试桩长55.50m设计桩径1.5m砼 标 号C30灌注日期2002年07月07日检测日期2002年08月23日地质概况1.00-12.

14、30m，亚粘土；12.30-14.20m，亚砂土；14.2-24.0m，细砂；24.0-37.20m，中砂；37.20-41.80m，亚粘土；41.80-52.00m，中砂；52.0-60.00m，细砂；60.0-61.80m，亚粘土；61.80-65.00m，中砂。实测反射波曲线波形分析 该桩超声波法检测结果为类桩，桩身在6.0-10.0m处有离析、夹泥等缺陷；反射波法检测结果为桩底无反射信号，桩身8.0m左右有明显缺陷反射信号。备 注 将该桩反射波信号与同工地正常桩反射波信号比较，可明显看出该桩质量较差，桩身上部有缺陷存在。表11 反射波法检测曲线分析表 刘江互通立交桥7-5桩在6.6m处

15、取出的芯样 典型缺陷桩反射波法和超声波法的优缺点研究4.1超声波法的优缺点优点 （1）判定桩身缺陷的准确性高，这其中包括缺陷的性质（断桩、夹杂、混凝土离析、混凝土密实度差等）和缺陷的位置（距桩顶高度、在桩身截面分布）以及缺陷的大小； （2）当一条桩在不同高度和不同截面位置有多处缺陷时，检测过程互不影响，可以分别准确检测出来； （3）对桩身缺陷的判定与地质地貌无任何关系，只与实测声学参数有关，这就使缺陷性质的判定比较容易； （4）适用于检测桩径大于0.8米以上的各种类型灌注桩，对桩长没有限制，因此是长大桩完整性检测的唯一最有效的方法。 缺点 （1）需要预埋声测管，这既增加了工程造价，又给施工带来

16、了许多麻烦； （2）当声测管由于各种原因堵塞后，检测无法进行； （3）现场检测工作量大，工作效率低； （4）数据处理工作量大，必须借助相应分析处理软件。4.2 反射波法的优缺点 优点（1）现场检测工作量小，工作效率高；（2）对桩的施工过程不增添任何工序，不需要预埋声测管，因此不会增加工程造价；（3）数据处理比较快捷；（4）当桩身缺陷位置不很深时（其深度与地质情况比较密切），反射波法能检测出缺陷的存在。 缺点 （1）仅测出广义波阻抗的相对变化，可以区分缩颈类与扩颈类，也可以计算缺陷位置，但却不能确定缺陷性质、缺陷方位； （2）缺陷程度的定量分析很难达到理想效果，目前定量分析仍仅仅停留在指导阶段，

17、缺陷程度也只能定性给出； （3）波速与振源频率和混凝土强度间的关系无法准确给出，尚无理想的波速计算公式，而依据施工桩长计算波速的办法存在很多具体问题，因此缺陷位置的判断仍有10%左右的误差； （4）加速度计对于长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷，应力波反射法无法正确测量。现有的测试理论和技术都难以解决这些问题。高频信号传不下去，测试范围有限；低频信号分辨率不够，容易形成绕射，漏判缺陷等等； （5）桩身存在多个缺陷时，互相干扰，深部缺陷容易误判。 同一工地桩身波速平均值的获取方法 同一工地完整桩桩身波速平均值的准确取值，是检测分析桩身质量和桩身缺陷的可靠前提。当某根桩露出地面且具有一定高

18、度时，可沿桩长方向且满足量测精度要求的间隔距离安置两个振动传感器，测出该桩段的波速值，并可作为该桩波速的参考取值；当无法获取本工地实测桩身平均波速时，可按类似工程的检测数据或经验取值。 提高分析判定准确性的其他方法 结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。 桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。预制桩、人工挖孔桩不可能缩颈，许多质量事故都发生在流水处或地层变化处，急剧变化的地层本身也会产生回波等等。查看地质资料对确定缺陷部位、排除地层影响很有必要。 综合分析同一工程的所有被测桩。 单独分析一根桩，不全面衡量整个工程情况，有时非常危险。同一工地的地质和施工状态大多相似，寻找各被测桩之间

19、的共性，再回头分析每一根桩是提高分析效果的有效手段。有条件的单位甚至可以在每个工程施工时监督完成一根按严格要求施工的标准桩，用于校核各种分析用数据，提高分析准确性。 其他注意问题由于桩身缺陷种类复杂，实测曲线的解释是一项较为困难的工作，与判读人员的技术水平和经验密切相关，因此检测人员必须善于总结经验，最好能在有试验桩的单位实测已知不同缺陷的试验桩，体会不同缺陷的反射波曲线特征。静荷载试验法基桩静载试验-自平衡法JT/T 738-2009一、钻芯法（CECS 03:88）灌注桩取出的芯样二、回弹法（JGJ/T 23-2001）三、超声法（CECS 21:2000）观测项目、测点布置及量测仪器 挠

20、度 应变 裂缝 荷载试验时桥梁坍塌2006年12月9日下午2时40分，北京市顺义区卧龙环岛北侧一条横跨减河的景观悬索步行桥在测重时坍塌，10辆用来测重的卡车随桥身坠下后报废，一名司机在事故中骨折，另有两人轻伤。据了解，这座桥全长120米，2004年11月开工，今年9月建成。荷载试验时桥梁坍塌 桥体与路基间裂缝达一尺宽 试验数据分析及桥梁承载力评定 一、试验数据分析 规律性、异常值、测值修正应变测值修正 支点沉降影响的修正温度影响修正 试验数据分析及桥梁承载力评定二、荷载试验成果分析与承载能力评定 1结构工作状况 (1)校验系数 校验系数是评定结构工作状况、确定桥梁承载能力的一个重要指标。 桥梁

21、类型应变(或应力)校验系数挠度校验系数钢筋混凝土板桥0.200.400.200.50钢筋混凝土梁桥0.400.800.500.90预应力混凝桥0.600.900.701.00圬 工 拱 桥0.701.000.801.00二、荷载试验成果分析与承载能力评定 (2)实测值与理论值的关系曲线 (3)相对残余变位(或应变) 不大于20 (4)动载性能 2结构的强度及稳定性 当荷载试验项目比较全面时，可采用荷载试验主要挠度测点的效验系数来评定结构的强度和稳定性。 3地基与基础 当试验荷载作用下墩台沉降、水平位移及倾角较小，符合上部结构检算要求，卸载后变位基本回复时，认为地基与基础在检算荷载作用下能正常工

22、作。 二、荷载试验成果分析与承载能力评定4结构的刚度要求试验荷载作用下，主要测点挠度校验系数应不大于1。各点的挠度不超过“桥规”规定的允许值，即圬工拱桥：一个桥范围内正负挠度的最大绝对值之和不大于L/1000，履带车和挂车要验算时提高20。钢筋混凝土桥 梁桥主梁跨中： 梁桥主要悬臂端： 桁架、拱桥： 二、荷载试验成果分析与承载能力评定 5裂缝 结构类别 裂缝部位允许最大缝宽 (mm) 其 他 要 求 钢筋混凝土梁 主筋附近竖向裂缝 0.25 腹板斜向裂缝 0.30 组合梁结合面 0.50 不允许贯通结合面 横隔板与梁体端部0.30 支座垫石0.50预应力混凝土梁梁体竖向裂缝不允许梁体纵向裂缝0.20 结构类别 裂缝部位允许最大缝宽 (mm) 其 他 要 求砖、石、混凝土拱拱圈横向0.30裂缝高小于截面高一半拱圈纵向0.50裂缝长小于跨言拱波与拱肋结合处0.20墩 台墩台帽0.30墩台身经常受浸蚀性有筋0.20环境水影响无筋0.30不允许贯通墩台身截面一半常年有水，但有筋0.25无侵蚀