0 引言

桩基础是最常用的基础形式和加固方式，据不完全统计，在我国，每年平均用桩量超过约300万根，其中70 %~80 %集中在沿海地区和长江中下游地区，桩基础工程造价较高，一般为工程总造价的四分之一以上^[1].

在各种类型的桩基础形式中，混凝土灌注桩的应用最为广泛，特别是大直径桩基几乎全都采用混凝土灌注桩^[2].由于桩基础属于隐蔽工程，加上施工工序繁多且施工难度大、技术要求高等特点^[3]，从而使得桩基础质量很容易出现问题，因此，桩基础的质量检测对保证工程施工质量是非常重要的.

目前，我国桩基础的检测方法主要有高、低应变法，超声波透射法，钻芯法，单桩竖向抗压、抗拔静载实验，单桩水平静载实验等^[4]，超声波透射法用于检测灌注桩桩身完整性，判定其桩身缺陷，具有检测细致、结果可靠、检测范围大、不受桩长和桩径的限制、结果直观、准确度高等特点，在工程中得到广泛应用，成为目前桩基检测中最常用的方法之一.

1 常用判据

在《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21：2000)、《建筑基桩检测技术规范》（JG)106-2003）中^[5]，目前较常用的缺陷判据主要是“概率法”和“斜率法”.另外还有NFP多因素概率分析法、CT成像法等.

1.1 概率法

混凝土是一种多相复合材料, 其组份及比例是多变的，即使是同种配比、同一构件上的不同部位其质量情况也不尽相同, 反映到声学上就是声速、波幅、频率等参数都不相同, 其数值分布在一定范围之内, 它们服从一定的统计规律, 一般认为正常混凝土中的声学参数呈正态分布，根据每个测面测试的结果，将声速、波幅声学参数进行数理统计.计算出声速临界值和波幅临界值，如果测点的声速值或波幅值小于声速临界值或波幅临界值，就认为该测点声速或波幅异常.该方法优点是将声速和波幅综合考虑.因为声速对由桩身材料强度变化所引起的缺陷比较敏感，而波幅对由结构的不均匀性引起的缺陷比较敏感.但是，如果桩的完整性较差，而声速的标准差又较大，导致声速临界值很小，可能会把此桩误判为好桩；另一方面，桩的完整性和均匀性都较好，而声速的标准差较小，导致声速临界值较大，有可能会把此桩错判为坏桩.

1.2 斜率法

也称“PSD判别法”，是将相邻测点声时差的平方与相邻测点高程差的比值作为判据，其实质是利用相邻测点间的声时的斜率变化作为异常点的判定依据.在一定程度上排除了声测管不平行对缺陷判定的干扰，弥补了概率法的不足，是目前应用较为广泛的判据.但由于PSD判据中的主要参数声时与测距有关，其临界判据必然会受桩径的影响，从而导致对桩基判别的偏差.

1.3 NFP多因素概率分析法

多因素概率分析法是运用声时、波幅、频率或声速、频率、波幅等参数，通过其总体的概率分布特征，获得一个综合判断值NFP来判断桩身缺陷的一种方法.NFP判据综合考虑了声时、声速、波幅、频率等超声参数，相对减少了分析判断中人为因素的干扰.但波幅和频率等参数的测量效率较低，而且影响因素多，较难准确测量，把3种参数平均参与判定, 没有考虑实际缺陷情况而应给某声参量以适当权值, 其判定缺陷性质略显偏颇.

1.4 超声层析成像(CT)技术

超声层析成像技术是将被测对象的层(断)面划分成一定数量的网格，一侧布置超声发射点，另一侧在网格的所有节点上进行超声接收，各成像网格被测线多次穿过.采用迭代法反演各成像网格的声速值，最终重建被测断面的声速图像.该方法结果直观，是一种新兴的超声检测技术，需要大量的检测数据，不能沿用传统的现场检测程序，且加大了现场检测的工作量，同时需要进行大量的数据处理工作，因此必须对检测仪器和处理软件同时进行改造，目前基本上处于研究阶段^[6].

以上方法各有优缺点，但都难以对桩身缺陷作进一步的定性分析，都不能进行定量分析.本文采用相对强弱指标对桩身混凝土质量进行分析，同时利用Matlab语言实现了相对强弱指标的算法，得到通用程序可以适用于各类桩基的定性分析.

2 参数的相对强弱指标法

超声波透射法中的声学参数和PSD与桩身混凝土强度和完整性密切相关，基本反映了桩身混凝土的质量情况.目前，常用的判据方法主要是依据“概率法”和“斜率法”（PSD判据）来评价桩身混凝土质量.但上述方法无法进一步进行定性分析且不能定量分析，其分析结果会受到一定的影响.

针对上述存在的问题，在对现场超声波检测大量数据的分析研究基础上，设计了声学参数（声速、波幅、频率、声时）相对强弱指标和PSD相对强弱指标.该指标是根据声学参数（声速、波幅、频率、声时）和PSD进行计算，为了消除环境因素的影响，能够更加准确的反映桩身混凝土的强度和稳定性，对该指标进行了标准化处理.根据声学参数（声速、波幅、频率、声时）相对强弱指标和PSD相对强弱指标，并结合声学参数（声速、波幅、频率、声时）和PSD，更能准确的评价桩身混凝土质量.并用Matlab语言对相对强弱指标实现算法^[7].

采用参考文献[7]中提出的声发射相对强弱指标的方法，将N次测试过程中的上升声速（波幅、频率、声时、PSD）相对值的总和定为a1(b1、c1、d1、e1)，将下降声速（波幅、频率、声时、PSD）相对值的总和定为a2(b2、c2、d2、e2)，声速相对强弱指标AR计算方法如下.设声速数据序列为：C1，…，Ci，…，其中C1为第一个测点的声速，Ci为第i个测点的声速.对声速系列求一次差，得序列ΔC1＝C1-C2，ΔC2＝C2-C3，…，ΔCi＝Ci-Ci+1，….上升序列ΔC1i ＝max{ΔCi，0}，下降序列ΔC2i ＝-min{ΔCi，0}，a1＝ΣΔC1i，a2＝ΣΔC2i，a＝(a1-a2)/(a1+a2)，a在+1与-1之间变化，为了方便地使用该指标，对其进行标准化处理，令：AR＝50(1+a) ＝100(a1/(a1+a2)).波幅、频率、声时、PSD相对强弱指标BR、CR、DR、ER可用同样方法计算：BR＝100(bl/(b1+b2))、CR＝100 (cl/(c1+c2))、DR＝100 (dl/(d1+d2))、ER=100(el/(e1+e2)).经标准化处理后，声学参数（声速、波幅、频率、声时）和PSD相对强弱指标AR、BR、CR、DR和ER的值在0~100之间变化.这从进一步定性分析和定量方面为桩身混凝土质量评价提供了一条有效途径^[8].

3 工程实例

某工程中，0-3#桩设计桩长16.0 m，设计桩径1.5 m，桩身混凝土强度等级为C25布置了3根声测管A、B、C.声测测点间距AB为990 mm，BC为990 mm，CA为1030 mm.在浇筑混凝土达到14 d后对其进行检测.根据原始数据，采用参数的相对强弱指标法对该桩进行分析，绘制相对强弱指标-深度图，如图 1~图 6.图中有突变的位置表示缺陷的位置，突变越严重，缺陷也越严重.由相对强弱指标-深度图可知：该桩在11.35~11.6 m、14.35~14.6 m处声学参数（声速、波幅、频率）相对强弱指标和PSD相对强弱指标突变都比较严重，在2.1~2.6 m处波幅相对强弱指标突变较严重，PSD相对强弱指标突变有轻微突变.结合以上分析，可初步判断该桩在11.35~11.6 m、14.35~14.6 m处有严重缺陷，2.1~2.6 m处有轻微缺陷.用传统的判据方法分析此桩，采用岩海超声分析系统软件进行分析，其结果如图 7所示.经过分析，发现在11.35~11.6 m和14.35~14.6 m处存在缺陷，其他桩身位置完整.

经过取芯验证，在11.35~11.6 m和14.35~14.6 m处只有极少数粗骨料，存在严重离析现象，在2.1~2.6 m处有间断的蜂窝现象，其芯样如图 8所示.

通过这两种方法比较，两种方法都在11.35~ 11.6 m处发现缺陷，相对强弱指标法发现在2.1~ 2.6 m，而传统的判据法却认为在此区域桩身混凝土质量完好.对比后可明显的得到，参数的相对强弱指标法比传统的判据法更具直观性和准确性.

4 结论

本文在对现场超声波检测大量数据的分析研究基础上，提出了参数的相对强弱指标法，该分析方法将反映桩身混凝土质量的声学参数和PSD综合考虑，通过相对强弱指标-深度图可以直观地进行进一步的定性分析和一定的定量分析：相对强弱指标突变的位置可以反映出桩身缺陷位置；相对强弱指标突变的大小反映桩身缺陷的严重程度.此外，参数的相对强弱指标法还可以反映出传统桩基检测判据法所不能反映的小缺陷，对反映桩身混凝土质量情况提供了有力的工具，对今后的桩基桩身质量判别工作有一定的指导意义和参考价值.