桩基质量的检测至关重要,声波透射法作为一类无损检测技术,在桩基工程中已运用成熟。实际施工过程中,桩基难免出现一系列问题,如扩径、缩径、孔底沉渣、断桩等。通过超声波检测桩基中隐藏的缺陷,获得相应声学参数,并对每个参数特征进行定性与定量分析,从而更全面评价桩身完整性。

　　 由于声测管与注浆管存在结构上的共性,探求功能上的兼容性可以进一步降低工程造价,这是提高资源利用率的可靠途径,也是响应节能减排的重要手段。

　　 桩端后注浆技术是桩基成孔后,在钢筋笼内侧绑扎规定数量的注浆管,注浆管伸入桩端持力层中,同时将灌浆管路引至地面,然后浇筑钻孔灌注桩,混凝土初凝后采用注浆设备通过灌浆管路将水泥浆液压入桩端持力层中,浆液通过渗透固结、充填挤密、劈裂加劲等方式,产生相关的物理化学作用,改善桩底沉渣、桩侧泥皮及桩周天然土壤的物理结构与力学特性,大幅提高力学性能 ^[1]。通过桩端灌浆,浆液注入桩底,并扩散至桩端周围土体,以形成扩大的端头,不仅增加桩端承载面积,而且桩端发生少量下沉时也提供较大的桩端支撑力;同时,在灌浆压力作用下,泥浆沿桩体与孔壁间的薄弱部位上行,以改善泥皮与桩周土体的力学性质,即增加桩身截面,注浆后桩周土体对桩侧产生向上的摩擦力,使桩身下段土体在后期仅发生较小的桩土相对位移就能提供一定承载力 ^[2]。高文生 ^[3]认为注浆后桩端土体的抗剪强度和变形特性及桩侧泥皮剪切特性均有不同程度的提高,根据类似工程经验,同等条件下单桩承载力可提高60%～80%以上 ^[4,5],沉降量可减小30%左右。

　　 超声波属弹性波,在混凝土介质中遵循特有的传播规律。混凝土质量会影响超声波的波形与传播速率,混凝土强度越高,超声波的传播速率越快。若桩身混凝土完整性好、无杂质,则超声波的波形完整、波速正常、波幅均一性完好。当混凝土内部存在夹泥、离析、孔洞等质量缺陷时,超声波会发生衍射,导致波速下降;此外,超声波在缺陷界面处会产生反射和散射,导致能量衰减、波幅降低;同时,由于多种波形的相互影响和叠加,会使波形发生畸变。据此特性,利用地面上的超声波检测仪发出电波信号,使声测管中的换能器发射高频弹性脉冲波,最后通过后台接收系统存储该弹性波在传播过程中表现的波动特性,通过分析处理相关参数,综合判定桩身完整性。声波透射原理如图1所示。

　　 桩端后注浆的灌浆时间根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》 ^[6],宜在2d后开始,但其未限制最迟注浆时间。根据后注浆特性,若龄期太短进行注浆,会因混凝土强度过低破坏结构;若注浆时间过晚,桩身强度增长,泥皮固化,注浆浆液无法渗透扩散至桩端,从而影响注浆效果。考虑混凝土强度等级、成桩工艺等因素,桩端后注浆宜在混凝土浇筑完成后2～10d内完成。

　　 JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》 ^[7]提到,采用声波透射法时,桩身混凝土强度不应低于设计强度的70%,且不应低于15MPa,强度过低会加剧声波在其中的传播衰减。根据混凝土强度增长曲线 ^[8],前期强度增长较快,不同环境温度下,7d可达到最终强度的50%～80%。相关学者 ^[9]选择C25,C30混凝土进行不同龄期与声速关系的试验,如图2所示。

　　 由图2可知,7d前随混凝土龄期增长,声速增长速率相当快。第7～28天中,声速增长率明显趋于平缓。强度等级较高的混凝土,在强度发展过程中,声速明显高于低强度等级混凝土。第7天时2种混凝土中声速均可>4 000m/s,之后的声速增长空间仅分别为5.91%,3.10%。

　　 从技术上来说,声波透射法是非破坏性检测,故声波对混凝土影响较小,且不会损坏桩身结构。为确保注浆管兼用时,混凝土强度达到检测要求并满足注浆条件,同时节约工期,故认为混凝土龄期达到7～10d时,已具备技术可行性。

　　 注浆管一般由ɸ30～ɸ50钢管制成,接头处采用套丝加工,利用丝扣进行连接,密封灌浆管两端。在注浆管最下端安装止回阀,可避免桩端浆液压力过大,逆流进入注浆管发生堵塞。声测管在接头形式、埋设方式及制作工艺方面均与注浆管相同。埋设钢管的数量,两者也均根据桩径进行划分,且声测管要求更高,故按声测管要求施工,即可同时满足注浆管要求。

　　 若需声测管兼做注浆管,则需先检测超声波,完成后立即进行桩底注浆,否则浆液堵塞声测管,无法进行声波检测。桩基工程中声测管与注浆管共用,只要控制好两者的先后顺序与衔接工艺,则具有施工可行性。

　　 苏州某大型商业项目,主楼为地上6层商业用房,下设4层地下室,基础埋深20m。主楼桩基为1 000mm的非嵌岩钻孔灌注桩,桩身有效长度66m,以粉质黏土夹粉土层为桩端持力层,并采用桩端后注浆技术。

　　 根据规范,1 000mm桩径灌注桩内埋设3根声测管,按等边三角形绑扎至钢筋笼上,以构成3个距离相同的检测剖面。声测管相应编号为A,B,C,声测管需高出桩顶混凝土约30cm,各检测剖面距离分别为:A—B剖面距离490mm,A—C剖面距离650mm,B—C剖面距离610mm,以上数据可看出,声测管在浇筑混凝土及拔导管过程中受外力影响,造成3个剖面距离不一致,基本呈等边三角形。

　　 当实测声速值小于临界值时,可判定为异常声速 ^[7]。由图3可知,临界波速值约3 000m/s,除B—C剖面外,其余2个剖面15m以上部分均存在异常,可能是测距不均造成声速离散性变大,也可能正值冬季,上层混凝土距地面较近,受外界温度干扰较大,对声波传递造成一定影响。

　　 根据规范，波幅平均值，临界值为A_m-6，故当A_pi<(A_m-6)时，波幅可判定为异常。由图3可知，3个剖面基本无明显异常，虽然波幅对缺陷最敏感，但只有在耦合状态良好的前提下，此参数才具有一定的可比性。

　　 本次检测采用声测管兼做注浆管,故龄期达到7d后开始进行声测,此时混凝土强度偏低,声波传递能量衰减较大,导致声速与幅值均有不同程度的下降。总体来看桩身完整性是可靠的,且声测结束后立即进行桩端后注浆施工,后期进行的静载试验也显示承载力>22 000kN,满足设计要求。

　　 在降低工程造价和提高资源利用率的初衷下,越来越多的非嵌岩工程桩基与支护结构采用注浆管兼声测管的方法。通过工程实例,从客观的监测数据入手,认为7d作为声波检测的龄期基本可行,但混凝土龄期、探头提升速度、声测管管距等对各声学参数影响明显。施工技术水平、天气因素等外部环境易引起桩身完整性的误判、错判,从而存在一定的监测风险,故建议8～10d龄期时进行声测,并注意保护声测管,以进一步保证数据的可靠性。