1 概述
超声波（简称声波）透射法测试是弹性波测试方法的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，以人工激振的方法向介质（岩石、岩体、混凝土构筑物）发射声波，在一定的空间距离上接收介质物理物性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决一系列岩土工程中的有关问题。
某高速公路桥梁的基桩验收过程中，全部基桩都采用超声波进行桩身质量检测，评价桩身介质的完整性。笔者长期从事检测工作，对声波透射法检测桥基桩质量的测试方法和判别规定进行了分析、研究，积累了一些工程经验。
超声波（简称声波）透射法测试是弹性波测试方法的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，以人工激振的方法向介质（岩石、岩体、混凝土构筑物）发射声波，在一定的空间距离上接收介质物理物性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决一系列岩土工程中的有关问题。
某高速公路桥梁的基桩验收过程中，全部基桩都采用超声波进行桩身质量检测，评价桩身介质的完整性。笔者长期从事检测工作，对声波透射法检测桥基桩质量的测试方法和判别规定进行了分析、研究，积累了一些工程经验。
2 测试原理
声波在桩体砼中的传播特性反映了砼材料的结构、密度及应力应变关系。根据波动理论，知跨孔对穿测试其弹性波的波速可近似为：
（1）
式中：E—介质的动态弹性模量；ρ—密度；μ—泊桑比。
声波在桩体砼中的传播参数（声时、声速、波幅、频率等）与混凝土介质的物理力学指标（动弹模、密度、强度等）之间的相联关系就是声波透射法检测的理论依据。当混凝土介质的构成材料、均匀度、养护方法、施工条件等因素基本一致时，声波在桩体传播中运动学特征和动力学特征一致；反之在施工中由于塌孔、离析、夹泥等现象出现，声波在传播中，必将在运动学特征和动力学特征上发生变化。
3 测试方法
某高速公路的中小桥一般采用1.2m的桩径，大桥特大桥一般采用1.5m的桩径，甚至2.0m以上的桩径。施工时，在桩体中预埋3根孔径50mm的钢管做声测管，预埋管绑扎在钢筋笼的内测，且沿基桩平行设置，管底密封，管内注满清水。桩基混凝土养护期超过7天，方可进行跨孔对穿测试。
检测前将三根测管按顺序进行编号（A、B、C），得到A—B、A—C、B—C三条测线（也称为剖面），量测两测管中心之间的距离，然后分别对A—B、A—C、B—C剖面进行同高程对测。测试时由上而下，每次测距40mm，当发现桩体异常时，测距加密为10mm测读一次。
声波透射测试方法有平测法、斜测法和扇面测法三种，一般采用平测和斜测两种方法（见图1）。
平测法是将发射和接收两换能器始终保持在同一标高上，进行测试，通过平测可知道缺陷在垂直方向上的区域大小和严重程度，但不能确定缺陷在水平方向上的大概部位。
斜测法是发射和接收两个换能器不在同一标高上，进行测试。在斜测过程中，采用固定的相差高程（即高差同步），且同一剖面进行两次单独的测试。一般来说高程相差越大，越能缩小缺陷在水平方面的范围，但是高程相差越大，测试信号就越弱，各种干扰信号就越强，就越容易形成误判。所以测试时在保证信号较好的情况下，可适当增大两换能器间的高程差。斜测法常作为平测法的补充测试方法，一个测线一般需测两次，即第一次发射换能器比接收换能器标高高，第二次使发射换能器比接收换能器标高低。但高差绝对值保持一致。通过斜测，可以缩小缺陷在水平方向上的范围。
扇形测法即固定某一固定换能器，将另一换能器等间距移动，两换能器高程差不停变换，形能一扇面。该方法比斜测法操作复杂且数据处理较麻烦，只针对可能有较严重缺陷的桩采用这一测试方法。
声波透射测试方法具有能判断缺陷在垂直方向上具体部位、在水平方向上的大致范围等优点，是反射波法，钻孔取芯无法比拟的，但不足之处在于：
①对竖向缺陷范围比水平方向缺陷范围容易更准确的确定。
②采用平测法时，容易将水平向（如桩横截面方向）较大而竖向（如沿桩身方向）很小的缺陷给漏掉。
③ 存在一定范围的测试盲区，即只能测出声测管之间一定范围内砼是否有缺陷，不能准确测出桩身整个断面是否有缺陷。例如桩中心是否有较小缺陷，桩周是否有局部缩径、扩颈等缺陷。
(a) 平测法 (b) 斜测法（第1次） (c) 斜测法（第2次） (d) 缺陷分析
图1 声波透射测试方法
4 测试数据处理及缺陷判定
测试数据的分析处理及缺陷判定严格按照《中华人民共和国行业标准基桩低应变动力检测规程（JGJ/T93-95）》的相关规定进行，即根据声时曲线、
曲线和声幅曲线等三条曲线来判定缺陷的部位和大小。
声波波形能直观反映某测点砼是否有缺陷。用反射波法评价基桩完整性时，可按波形好坏直接判断某桩是否有缺陷，是否有严重的缺陷。同理，在声波透射法检测过程中，检测人员检测时面对单一测点的波形，而后根据波形才确定声时值和声幅值，若桩基砼是均质的，声波波形有两头小、中间大、同频率（如图2所示）等特征，若声波经过缺陷，声波波形就会明显变化，当缺陷特别严重时表现在波形上为声幅很低、首波不易确认，频率变小且同一波形中有不同频率成分，比较容易直接判断（如图3）
图2 完好波标准波形 图3 缺陷波波形图
在检测时，声时、声幅和波形三种曲线常出现后面三种情况：（1）某一测点声时超判据，而声幅未超判据，且波形完好时；（2）声时未超判据，声幅超判据，波形除首波外其它正常；（3）声时未超判据，声幅未超判据，波形不正常（整个波形幅值较低）。下面对这三种情况进行分析。
第（1）种情况表示该处砼仍为均质的，砼的强度略有变小，若声时超标不大（比正常的声时差10~20μs）且在一两个加密点出现，缺陷不影响桩的安全性能；或者因为测管弯曲，在测管拐点处数据超判据，就不应该砼有缺陷。如图4所示，此测线声时超标处无缺陷。
第（2）种情况表示该砼局部有细小气泡或空洞，不影响桩的安全性能。
第（3）种情况表示换能器位于砼强度变化的界面处，往往预示着在该测点附近可能有更大形式的缺陷出现。某桩AB张从268号~280号连续7个加密点检测的波形，第268号和280号波形是完好波，第272、274、276点的波形为严重缺陷的波形，而270和278号为砼质量渐变处的波形，如图5所示，第270号与278号波形高差为40mm，该图同时说明了桩体内的缺陷大多为渐变的，相邻测点的波形图也是渐变的。
图4 某 AB测线的声时和声幅曲线图
图5 某缺陷附近连续6个测点的波形图
在某桩检测过程中，当缺陷范围较大且桩身长度较短时，此缺陷处测线声时也不会超标；另外当测管弯曲时，测距越来越小，缺陷处的声时有可能比测距较大处的声时小得多，因此在此处测线有可能不会超标，但仍需判为缺陷。
因此在检测过程中不能根据某单一指标来确定是否有缺陷，而应综合各个指标来分析是否有缺陷以及缺陷的范围和程度。
测试数据的分析处理及缺陷判定严格按照《中华人民共和国行业标准基桩低应变动力检测规程（JGJ/T93-95）》的相关规定进行，即根据声时曲线、
曲线和声幅曲线等三条曲线来判定缺陷的部位和大小。
声波波形能直观反映某测点砼是否有缺陷。用反射波法评价基桩完整性时，可按波形好坏直接判断某桩是否有缺陷，是否有严重的缺陷。同理，在声波透射法检测过程中，检测人员检测时面对单一测点的波形，而后根据波形才确定声时值和声幅值，若桩基砼是均质的，声波波形有两头小、中间大、同频率（如图2所示）等特征，若声波经过缺陷，声波波形就会明显变化，当缺陷特别严重时表现在波形上为声幅很低、首波不易确认，频率变小且同一波形中有不同频率成分，比较容易直接判断（如图3）
图2 完好波标准波形 图3 缺陷波波形图
在检测时，声时、声幅和波形三种曲线常出现后面三种情况：（1）某一测点声时超判据，而声幅未超判据，且波形完好时；（2）声时未超判据，声幅超判据，波形除首波外其它正常；（3）声时未超判据，声幅未超判据，波形不正常（整个波形幅值较低）。下面对这三种情况进行分析。
第（1）种情况表示该处砼仍为均质的，砼的强度略有变小，若声时超标不大（比正常的声时差10~20μs）且在一两个加密点出现，缺陷不影响桩的安全性能；或者因为测管弯曲，在测管拐点处数据超判据，就不应该砼有缺陷。如图4所示，此测线声时超标处无缺陷。
第（2）种情况表示该砼局部有细小气泡或空洞，不影响桩的安全性能。
第（3）种情况表示换能器位于砼强度变化的界面处，往往预示着在该测点附近可能有更大形式的缺陷出现。某桩AB张从268号~280号连续7个加密点检测的波形，第268号和280号波形是完好波，第272、274、276点的波形为严重缺陷的波形，而270和278号为砼质量渐变处的波形，如图5所示，第270号与278号波形高差为40mm，该图同时说明了桩体内的缺陷大多为渐变的，相邻测点的波形图也是渐变的。
图4 某 AB测线的声时和声幅曲线图
图5 某缺陷附近连续6个测点的波形图
在某桩检测过程中，当缺陷范围较大且桩身长度较短时，此缺陷处测线声时也不会超标；另外当测管弯曲时，测距越来越小，缺陷处的声时有可能比测距较大处的声时小得多，因此在此处测线有可能不会超标，但仍需判为缺陷。
因此在检测过程中不能根据某单一指标来确定是否有缺陷，而应综合各个指标来分析是否有缺陷以及缺陷的范围和程度。
5 声波透射法基桩完整性分类标准
根据前述的4点判据，可对单一测结进行完整性评价，还不能对桩身完整性进行综合评价。在进行桩身综合评价时，必须综合考虑所有测线才能作出较准确的评价。
目前，还没有统一、通用的关于声波透射法基桩分类标准。在一大型工程项目中，若多家检测单位执行的标准不统一，将给管理单位带来许多不便。某高速公路建设指挥部统一规定了超声波透射法基桩完整性分类标准细则，如下：
Ⅰ类：测点声时、波幅均正常，无超判据现象；
Ⅱ类：测点声时偏高，单一测线局部超判据；
Ⅲ类：测点声时偏高，桩身结构不完整，有两条测线同一深度或一条测线连续较长超判据；
Ⅳ类：测点声时严重偏高，桩身同一深度三条测线有严重离析，或两条测线同一深度连续较长有明显异常反应，超判据。
该分类标准的优点：
①分类标准明确，容易操作，非专业人员也能理解；②可重复性强，当多家单位检测同一根桩时，检测结果基本一致；③防止各检测单位对缺陷桩的严重程度任意作解释，便于主管单位管理控制。
该分类标准的不足之处：
①该分类标准是建立平测法基础上，未考虑斜测法的使用；②该分类标准基于声时变化，未考虑声幅的变化和波形的变化；③同样大小的缺陷在桩横截面上出现的部位不同，其桩的分类就可能不同。例如在当某一较小范围的缺陷接近某测管时，导致两条测线在同一部位超判据，该桩可能被判定为Ⅲ类桩。当这一较小范围的缺陷在某一测线中点附近时，导致一条测线超判据，该桩被判定为Ⅱ类桩。当这一较小范围的缺陷在桩中心附近时，无任何测线超判据，该桩被判定为I类桩；④该分类标准未考虑缺陷在竖向上出现的部位。
6 桩身完整性评价与承载力关系
桩身完整性与承载力具有一定相关性，桩身存在较大缺陷的桩基承载力往往也难以保证，但是根据桩身完整性评价判定的Ⅲ、Ⅳ类桩其承载力往往也可以满足工程需要。这主要从缺陷相对于桩径的大小，缺陷形式、缺陷部位来综合判定。
例如：某高速公路桥基桩采用1.5m桩径，C25混凝土成桩，成桩工艺为非挤密桩，竖向承载力设计标准值为7000KN。桩截面强度应满足下列表达式：
（2）
式中：r0—建筑物衙要性系数，对于高速公路桥基取1.2；S—桩顶轴处压力设计值，7000KN；R—桩截面的承载力设计值；
—桩的纵向弯曲系数，取0.95，Ra—混凝土抗压设计强度，C25的混凝土为14.5N/mm2；A—桩身截面积；rb—构件工作条件系数，取0.95；rc—混凝土的安全系数，取1.25；
—纵向钢筋抗压设计强度；
—纵向钢筋截面积。
若桩身砼强度降低，而截面积未减小，桩身截面积A=3.14×1.52=1.767m2，不考虑钢筋影响，根据（6）式可得Ra>6.58N/mm2。即桩身砼强度等级为C15时也能满足竖向承载力要求。
若桩身砼强度不变，而截面积减小，不考虑钢筋影响，根据（2）式可得桩身截面积A>0.80m2。即缺陷范围为桩身截面积的1/2时也能满足竖向承载力要求。
缺陷部位除校核竖向承载力外，还要校核抗弯、抗剪承载力，特别是缺陷位于桩上部时。
当缺陷深度Z满足下式时，
（3）
式中：
—地基变形系数；E—桩身砼强模；C25的砼弹模为2.8×104MPa；I—桩截面惯性矩，桩径为1.5m时，I为0.2485m4；m—地基土水平抗力系数的比例系数，不同土层m值可查相关规范；b—计算宽度，b=0.9(d+1)=2.25m；d—桩直径一般为1.5m。
在水平荷载作用下，当缺陷深度S超过4.0/α时，桩身内的弯矩M和剪力Q可忽略不计，缺陷部位不承受水平向载荷。
因此，在采用平测法结合两次斜测法确定缺陷的范围以及采用钻孔取芯法确定缺陷部位砼的强度后，校核缺陷是否满足竖向承载力要求。
某段高速公路桥基桩大多为嵌岩桩，嵌岩段的荷载传递特征是荷载首先通过侧阻力传递于嵌岩段的侧壁，在产生一定剪切变形后（一般相对位移小于2~4mm），一部分荷载才传递至桩底。由于嵌岩段的单位侧阻力比土层高很多，因而端阻所占比例较低，当嵌岩深度超过5倍桩径时，传递至桩端的应力已接近于零。据此特征可对嵌岩深度超过5倍桩径的桩基，当桩底有两个测线出现不密实的情况下，可考虑不进行任何处理。
7 结束语
声波透射法在桥梁基桩完整性评价中是比较准确可靠的，其检测结果，可对有缺陷的部位实施处理措施时进行指导。在检测时，对有缺陷的桩应持慎重的态度，不要漏判缺陷，也不要夸大缺陷的严重程度，必要时可结合反射波法和钻孔取芯进行综合评价。本着实事求是的原则，对有缺陷的桩进行承载力校核，对能满足各项承载力要求的桩不必进行加固处理，从而减少不必要的浪费和损失。
参考文献：
1 基桩低应变动力检测规程[S]. 中国建筑工业出版社，1998
2 公路桥涵地基基础设计规范[S]. 交通部公路规划设计院，1999
3 周轩钧等，灌注桩设计施工手册[M]. 地震出版社，1993
