混凝土地连墙质量检测分析.docx

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混凝土地连墙质量检测分析

——以天津市海河综合开发刘庄桥下游段（右岸）为例

程莉段伟

（中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222）

【摘要】为保证天津市海河综合开发刘庄桥下游段地连墙的施工质量，发挥其应有的设计功能，对其质量的检测是十分必要的。

传统的钻孔、开挖和围井等检测方法，不但破坏了墙体影响其功能的正常发挥，而且费时费力，局限性很大。

我们利用地球物理探测技术对地连墙进行无损检测取得了较好的应用效果，必将成为工程质量检查的发展方向。

【关键词】声波穿透测试无损检测混凝土地连墙地球物理技术

1工程概况

根据天津市委八届三次全会提出的“三步走”战略目标和五大战略举措，以建设世界名河为目的，海河综合开发改造工程正在紧张有序地建设实施。

海河堤岸改造是本工程的重要组成部分之一，又是先期实施的基础工程，该工程从北运河的北洋桥至海河外环线桥，河道全长约20km，左右两岸累计堤岸长约40km，起步区段为慈海桥至北安桥段和琼州道至海河大桥段。

按照海河综合开发规划，其堤岸工程断面大多采用退台式护岸，需对现状护岸进行改造。

刘庄桥下游段堤岸断面在高程2.0m（大沽高程，下同）处设亲水平台，亲水平台与现状地面之间设直墙式护岸，亲水平台与河岸边多采用重力式挡土墙或板桩式护岸。

该工程段（右岸）在埋深0～18m范围内所涉及到的地层为第四系全新统松散堆积物，自上而下依次为：

⑴人工填土层（rQ）：

全区分布，该层由杂填土和素填土组成，层底高程-0.51～2.00m。

⑵古河道、河漫滩冲积相新近沉积层（alQ43N）：

全区分布，该层岩性变化不大，主要由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土及淤泥质粉土透镜体，层底高程-7.18～-6.54m。

⑶第四系全新统中部海相层（mQ42）：

全区分布，岩性由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土透镜体，层底高程-12.45～-10.53m。

⑷第四系全新统下部陆相沉积层（alQ41）：

岩性由粉质粘土及粉土组成，该层未揭穿，可见厚度大于7.00m。

依据委托单位提供的设计及施工资料，本段地连墙总长度为308.33m，共分18个槽段，四种建筑类型，本次检测其中一种类型（即I型），该类型地连墙厚0.6m、宽6.0m、深13.5m。

按照国家和天津市的有关规定，并考虑本工程的具体情况和设计要求，确定检测6个槽段，检测比例为33.3%。

检测位置见图1（图中A、B、C为各检测段号三个预埋声测管）。

2检测原理与方法

以介质的弹性特征为基础，进行弹性波测试，以求得筑墙介质的物理力学指标。

当弹性波在介质内传播时，与介质本身的物理力学性质有着密切的关系，通过测取弹性波的波列记录，可以取得一系列运动学和动力学参数，分析整理这些参数，来判定介质质量的优劣，并提供定量依据。

理论分析和实践经验表明，地连墙混凝土质量较好时，其声波速度值较高或波幅值较大（信号强），且波速离散性较小；而混凝土质量存在缺陷（离析、密实度差、强度低）时，其声波速度值较低或波幅值减小（信号弱），且波速离散性较大。

检测采用声波穿透法，测试原理见图2。

其中由发射换能器激发的声波经水的耦合传播到声测管，再在墙体混凝土介质中传播，经接收端的声测管由水耦合到接收换能器。

根据本次检测任务要求和现场各槽段声测管的分布特点，施测时在每一槽段的三个预埋管中放入三个谐振频率为50kHz的声波换能器，中间管（图1中B号管）放置发射换能器，两侧管（图1中A号管和C号管）放置接收换能器。

首先将三个换能器置入管底并使其位于同一高程，由下而上实施观测，测点距为0.25m，三探头同步提升并进行测试，直至管口。

测试仪器为国产WSD—2型数字声波分析仪及其附属设备。

3数据整理与分析

将实测数据进行归纳整理，按照式

（1）计算声波速度Vp（m/s）。

Vp=L/T ………………………………………………

（1）

式中：

L——发射管与接收管外壁之间的水平距离（m）；T——声波在距离L内的走时（s）。

根据求得的声波波速值绘制速度（Vp）——深度（H）曲线，并按照下列方法和步骤确定声速临界值，以此判定声速异常区。

（1）将同一检测剖面各测点的声速值由大到小依次排序，即

Vp1≥Vp2≥…≥Vpi≥…≥Vpn-k≥…≥Vpn-1≥Vpn ………………………………

（2）

式中：

Vpi——按序排列后的第i个声速（Vp）测量值；n——测点数；k——逐一去掉式

（2）Vpi序列尾部最小数值的数据个数。

（2）对逐一去掉Vpi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。

当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括Vpn-k在内的余下数据Vp1～Vpn-k按下列公式进行统计计算：

Vp0=Vpm－λSx…………………………………………（3）

…………………………………（4）

………………………（5）

上述式中：

Vp0——异常判断值；Vpm——n－k个数据的平均值；Sx——n－k个数据的标准差；λ——由表1查得的与n－k相对应的系数。

（3）将Vpn-k与异常判断值Vp0进行比较，当Vpn-k≤Vp0时，Vpn-k及其以后的数据均为异常，应去掉；再用数据Vp1～Vpn-k-1并重复式（3）～（5）计算步骤，直到Vpi序列中余下的全部数据满足：

Vpi＞Vp0，此时，Vp0为声速的异常临界值VpD。

（4）声速异常时的临界值判据为：

Vpi≤VpD，当其成立时，声速可判定为异常。

（5）当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性较小时，宜采用声速低限值判断：

Vpi＜VpL，其中Vpi——第i个测点声速（m/s）；VPl——声速低限值（m/s），由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果并结合实际经验确定。

当上式成立时，可直接判定为声速低限值异常。

表1 统计数据个数n－k与对应的λ值

n-k

1.64

1.69

1.73

1.77

1.80

1.83

1.86

1.89

1.91

1.94

1.96

1.98

2.00

2.02

2.04

n-k

2.05

2.07

2.09

2.10

2.11

2.13

2.14

2.15

2.17

2.18

2.19

2.20

2.21

2.22

2.23

n-k

100

105

110

115

120

2.24

2.25

2.26

2.27

2.28

2.29

2.30

2.31

2.32

2.33

2.34

2.36

2.38

2.39

n-k

125

130

135

140

145

150

160

170

180

190

200

220

240

260

280

2.41

2.42

2.43

2.45

2.46

2.47

2.50

2.52

2.54

2.56

2.58

2.61

2.64

2.67

2.69

（6）当采用斜率法的PSD值作为辅助异常点判据时，PSD值应按下列公式计算：

PSD=K·△T …………………………………………（6）

………………………………………（7）

△T=Tpi－Tpi-1 ………………………………………（8）

式中：

Tpi——第i个测点的声时（μS）；Tpi-1——第i－1个测点的声时（μS）；Zi——第i个测点的深度（m）；Zi-1——第i－1个测点的深度（m）。

根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判断。

（7）当采用信号主频值作为辅助异常点判据时，主频——深度曲线上主频值明显降低，可判定为异常。

综合上述分析，地连墙混凝土质量异常区应结合各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及混凝土质量可疑点加密测试后的结果等综合判定，并确定混凝土缺陷的范围和大小。

4成果分析与质量评价

综合分析声速（波幅）——深度曲线图（典型曲线见图3）并结合施工资料，对地连墙混凝土内部结构进行质量评价。

（1）地连墙缺陷：

以声速临界值（或声速低限值）、声速平均值以及波幅临界值判据进行综合分析判定。

（2）地连墙混凝土均匀性按声速离散系数Cv（Cv=Sx/Vpm×100%）可分为A、B、C、D四级（见表2）。

（3）根据地连墙混凝土声学特征及其均匀性，是否存在缺陷以及缺陷的严重程度，将地连墙的内部结构质量分为四类：

表2 声速离散系数级别表

混凝土均匀性等级

A级（均匀）

B级（一般）

C级（较差）

D级（极差）

Cv（%）

Cv<5

5≤Cv<10

10≤Cv<15

Cv≥15

Ⅰ类（优良）：

各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常。

Ⅱ类（较好）：

某一检测剖面个别测点声学参数出现异常，个别测点声速低于低限值异常。

Ⅲ类（一般）：

某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低于低限值异常。

Ⅳ类（较差）：

某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。

由本测段地连墙预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，并结合本市实际测试经验确定该地连墙混凝土质量评价的声速低限值为4.00km/s。

现就检测槽段的声波成果分析如下：

①段13-I/38：

该检测段号测试深度仅为9.00m（9m以下因堵孔无法测试），AB、BC剖面在深0～1.00m处声速小于低限值4.00km/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为3.97km/s、4.3km/s，标准差分别为0.34km/s、0.38km/s，混凝土离散系数分别为8.56、8.69，表明混凝土在0～1.00m间质量较差，其余测段混凝土质量优良。

结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅲ类，混凝土均匀性为B级。

②段11-I/30：

该检测段号测试深度为13.5m，其中BC剖面在深8.0～8.5m处声速小于低限值4.00km/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.74km/s、4.24km/s，标准差分别为0.16km/s、0.22km/s，混凝土离散系数分别为3.37、5.19。

结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A～B级。

③段11-I/31：

该检测段号测试深度为13.5m，其中AB剖面在深0～0.25m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.65km/s、4.36km/s，标准差分别为0.18km/s、0.12km/s，混凝土离散系数分别为3.87、2.75。

结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。

④段14-I/39：

该检测段号测试深度为11.0m，其中BC剖面在深0～0.5m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.60km/s、4.43km/s，标准差分别为0.12km/s、0.16km/s，混凝土离散系数分别为2.61、3.61。

结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。

⑤段15-I/41：

该检测段号测试深度为13.5m，其中AB剖面在深0～0.75m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.93km/s、4.94km/s，标准差分别为0.40km/s、0.30km/s，混凝土离散系数分别为8.11、6.07。

结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为B级。

⑥段10-I/29、段12-I/35、段13-I/36、段13-I/37：

各段内混凝土声速值较高，离散性小，表明检测段内混凝土质量优良，结合波幅等声学参数，综合判定上述四段混凝土质量为I类，混凝土均匀性为A级。

各槽段检测结果及综合分析见表3。

表3地连墙混凝土质量检测综合成果表

段号

检测深度

龄期

平均声速

声速异常临界值

声速

标准差

离散系数

混凝土设计强度

质量综合分析与评判

备注

AB/BC

（m）

（d）

（km/s）

（%）

段10-I/29

13.0

>28

4.57

4.52

4.37

0.11

2.41

C30

整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级

由本测

段地连

墙混凝

土预留

同条件

混凝土

试件的

抗压强

度与声

速对比

试验结

果并结

合本市

实际测

试经验

确定该

地连墙

混凝土

质量评

价的声

速低限

值为4.00

km/s。

4.48

4.11

0.20

4.46

段11-I/30

13.5

>28

4.74

4.49

4.42

0.16

3.37

C30

整体质量较好，其中BC剖面在深8.0～8.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A～B级

4.24

3.85

0.22

5.19

段11-I/31

13.5

>28

4.65

4.50

4.30

0.18

3.87

C30

整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.25m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级

4.36

4.13

0.12

2.75

段12-I/35

9.00

>28

4.42

4.15

0.14

3.17

C30

整体质量优良,综合评价Ⅰ类，均匀性A级。

因C孔堵塞严重，BC剖面没有进行检测

段13-I/36

13.5

>28

4.44

4.58

4.20

0.12

2.70

C30

整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级

4.72

4.38

0.18

3.81

段13-I/37

13.0

>28

4.71

4.58

4.36

0.18

3.82

C30

整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级

4.46

4.20

0.13

2.91

段13-I/38

9.00

>28

3.97

4.17

3.22

0.34

8.56

C30

质量一般，其中AB和BC剖面均在深0～1.0m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅲ类，均匀性B级

4.37

3.51

0.38

8.69

段14-I/39

11.0

>28

4.60

4.51

4.36

0.12

2.61

C30

整体质量较好，其中BC剖面在深0～0.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级

4.43

4.10

0.16

3.61

段15-I/41

13.5

>28

4.93

4.29

0.40

8.11

C30

整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.75m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性B级

4.94

4.17

0.30

6.07

通过对6个槽段计9个测区的检测成果综合分析和评价可得出如下检测结果。

（1）被检测槽段中，混凝土内部结构整体优良（Ⅰ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量较好（Ⅱ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量一般（Ⅲ类）1个，占所检测槽段的11.2%。

（2）被检测槽段混凝土内部结构整体优良或较好，局部槽段质量一般，在检测的剖面中多存在声测管管口附近混凝土质量较差。

5结语

以上详细介绍了声波穿透法在地连墙质量检测中的应用及其数据处理和分析方法，由此可以看出，该法具有经济、无损、快速、便于分析等优点，因而在地连墙质量检测中得到较为广泛的应用。

目前，应用地球物理探测技术对地下隐蔽工程的无损检测已经取得了很大的进展，已由试验研究阶段转向实用阶段，并在工程实践中不断得到完善和提高。

但由于地下隐蔽工程的施工工艺和填筑材料的不同，其存在的质量问题也不尽相同，因此对地下隐蔽工程质量的无损检测难度也会更大，这就要求我们研究或寻找多种检测技术或方法，综合开发，综合应用，综合分析，有效地提高地下隐蔽工程质量检测的精度，并查明工程内部的质量隐患类型和位置，更好地为工程建设服务，这将是我们今后努力的方向。

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