应用超声相控阵技术检测桩基后压浆质量的方法技术领域
本发明涉及一种应用超声相控阵技术检测桩基后压浆质量的方
法，属于桥梁桩基检测领域，具体来说是涉及桩基工程在实施桩基后
压浆技术后，采用超声相控阵技术对其压浆效果进行评价的一种方
法。
背景技术
桩基后压浆技术是指在灌注桩成桩并达到一定强度后，通过预先
埋置在桩周或桩身内的压浆管，使用高压注浆泵将能够起到胶结固化
作用的浆液压入桩端土层和桩周土体中，从而桩底沉渣、桩端持力层
和桩周泥皮利用浆液的渗透、填充、压密、劈裂和固结等作用，改变
原土体的物理性质和力学状态，使桩端土和桩侧土的强度得到提髙，
在不同程度上提高桩端阻力和桩侧摩擦力，进而减小桩的沉降量，提
高桩的承载力。桩基后压浆技术通过向桩端和桩侧的土体注入能够起
到胶结固化作用的浆液，加强、固化桩端和桩侧的土体，可有效减少
桩长，提高灌注桩承载力，减少桩身沉降量，缩短工期、降低灌注桩
的工程造价等优点，桩基后压浆技术优势明显，应用前景好，近些年
在交通、建筑、水利等领域得到了广泛应用。
然而由于桩基属于隐蔽工程，桩基后压浆施工质量好坏难以判
断，地质条件多变复杂，注浆过程中预先设定的浆液配方、注浆压力、
压浆量在压浆工序实施后，其具体压浆效果的评定难度很大，到目前
主要是通过测量单桩极限承载力来评定桩是否满足设计要求，该方法
只能随机抽取一部分进行代表性检测，无法适用于大量桩基后压浆质
量检测的工程应用，且无法直接对压浆效果进行评价，只能间接的反
映压浆效果。在现有检测手段中，针对桩身底部和桩周土体中浆液的
加固效果，目前尚未有较好的质量检测方法。
发明内容
为了克服现有桩基后压浆施工质量好坏难以判断的缺陷，本发明
提供一种可以对桩基后压浆技术的压浆效果、浆液在土体中的分布情
况进行检测，从而为评价桩基后压浆的效果提供检测数据的应用超声
相控阵技术检测桩基后压浆质量的方法。
本发明采用的技术方案是：
应用超声相控阵技术检测桩基后压浆质量的方法，其特征在于：
包括如下步骤：
(1)、将相控阵探头中整体晶体分为阵列排列的若干晶片，使每
个晶片形成一个探头，且每个探头均能够独立激发；
(2)、浆液配置、确定注浆压力、注浆速度以及注浆量，并且待
灌注桩混凝土达到灌浆设计强度；
(3)、注浆前对桩侧和桩底土体的检测：将相控阵探头放置在相
邻桩基中预留的检测管中，待相控阵探头与检测管的底部接触后开始
检测，相控阵探头按照要求间距逐渐向上提升，完成对桩侧和桩底土
体进行检测；
(4)、注浆前对桩端土体的检测：将相控阵探头放置在灌注桩的
桩端，控制器按照预设延迟时间依次激发晶片，所有晶片发射的超声
波形成一个整体波阵面，通过控制各个晶片的延迟时间使产生的超声
波束方向在一定角度范围内变化，超声束在一定角度范围内呈扇形发
射；其中，通过控制各个晶片的延迟时间来实现超声波束的聚焦偏转，
随着延迟时间的改变，偏向角也将随着改变；
(5)、注浆前检测结束后，进行注浆：在压力作用下注浆泵将浆
液通过预埋在桩身和桩周中的注浆管压入桩端土层和桩周土体中；
(6)、注浆结束经养护加固后进行注浆后检测，注浆后检测的检
测方式与上述步骤(3)和(4)的检测方式相同；根据注浆前、后检
测得到的声学性质参数的对比分析，获得桩端、桩底和桩侧土体的土
层信息。
所述的步骤(6)中注浆结束后，在加固土体与未加固土体之间
形成第一和第二界面；其中，第一界面为灌注桩与原状土之间的界面，
根据第一界面的高度可以得到浆液沿桩身的上返高度h；第二界面为
原状土与原状土泥浆混合物之间的界面，根据第二界面的位置可以得
到浆液在桩底扩散深度H以及浆液在桩周原状土中的扩散宽度d，根
据上返高度h、扩散深度H和扩散宽度d可以分析出浆液在沉渣、桩
侧和桩端土体中的分布状态，从而可以评价注浆对桩侧摩阻力的改善
效果、对桩底沉渣的加固改善效果以及对桩端承载力的改善效果。
所述的相控阵探头上移的间隔距离为100～500mm。
所述的相控阵探头中各探头按环形阵列排列。
由波动理论可知声波的传播速度是一个可以反映介质物理属性
的参量，超声相控阵技术是利用超声波在介质中传播速度作为测试参
量，通过分析超声波传播速度以及声学特性在空间分布结构来间接性
描述和反馈各种不同介质在空间上的分布特征。桩基后压浆在浆液注
入后，桩端和桩周一定范围内的土体强度和密度必然会发生一定变
化，因而可以利用声学特性的差异来反映浆液的分布状况。
针对桩基后压浆加固范围，使用超声相控阵技术进行压浆效果的
检测内容主要包括：桩身周围土体浆液扩散宽度和浆液上返高度检
测、桩底沉渣区域加固与桩端原状土层浆液分布检测。
1、在桩基后压浆过程中，桩端以上一定高度内的泥皮土和泥皮
土外围的土体在一定宽度范围内得到加固，浆液固结后土体参与桩的
承载，改善了桩—土界面条件，提高了桩侧阻力，采用超声相控阵技
术的环形探头可以检测浆液在桩周的分布范围和上返高度，从而评价
注浆对桩侧摩阻力的改善效果。
2、在桩基后压浆过程中，桩基压浆注入的浆液与桩底的沉渣混
合固化，凝结成一个强度高、化学性能稳定的结石体，采用超声相控
阵技术的环形和阵列探头可以检测浆液在桩底沉渣的分布情况，从而
评价注浆对桩底沉渣的加固改善效果；
3、桩基压浆注入的浆液在桩端持力层中扩散和渗透，使得桩端
持力层的强度得到明显提高，从而提高桩端阻力，采用超声相控阵技
术的环形和阵列探头可以检测浆液在桩端持力层的分布范围，从而评
价注浆对桩端承载力的改善效果。
本发明具有的有益效果是：
1、与现有超声检测方法相比，超声相控阵技术具有偏转角度可
控的特性，在不需要特殊扫查装置的情况下，只需通过改变软件参数，
可以在不移动或少移动探头的情况下对所关心区域进行多方位多角
度扫查，可以对桩端和桩侧较大范围内的压浆范围进行检测，检测效
率大大提高。
2、超声相控阵技术具有很好的声束扫描特性，通过电子控制方
式进行发射声束聚焦、偏转，使超声波照射到被检物体的各个区域，
然后通过相控接收的方式对回波信号进行聚焦、变孔径等多种关键技
术，通过信号图像重建可以得到物体的清晰均匀的高分辨率声成像，
能提供直观的图像。
3、由于超声相控阵技术检测的动态聚焦特性，相对普通超声检
测有更高的信噪比和更好的分辨率。超声相控阵检测技术不但可以实
现声束的偏转，同时还可以实现声束的聚焦，从而使超声检测的空间
分辨力和灵敏度都大大提高。
附图说明
图1为本发明超声相控阵技术实施示意图一。
图2为本发明超声相控阵技术实施示意图二。
图3为本发明超声相控阵技术实施效果俯视图。
具体实施方式
参照图1至图3，应用超声相控阵技术检测桩基后压浆质量的方
法，包括如下步骤：
(1)、将相控阵探头11中整体晶体分为阵列排列的若干晶片，
使每个晶片形成一个探头，且每个探头均能够独立激发；
(2)、浆液配置、确定注浆压力、注浆速度以及注浆量，并且待
灌注桩混凝土达到灌浆设计强度；
(3)、注浆前对桩侧和桩底土体的检测：将相控阵探头11放置
在相邻桩基中预留的检测管2中，待相控阵探头11与检测管2的底
部接触后开始检测，相控阵探头11按照要求间距逐渐向上提升，完
成对桩侧和桩底土体进行检测；
(4)、注浆前对桩端土体的检测：将相控阵探头11放置在灌注
桩3的桩端，控制器12按照预设延迟时间依次激发晶片，所有晶片
发射的超声波形成一个整体波阵面，通过控制各个晶片的延迟时间使
产生的超声波束方向在一定角度范围内变化，超声束在一定角度范围
内呈扇形发射；其中，通过控制各个晶片的延迟时间来实现超声波束
的聚焦偏转，随着延迟时间的改变，偏向角也将随着改变；
(5)、注浆前检测结束后，进行注浆：在压力作用下注浆泵将浆
液通过预埋在桩身和桩周中的注浆管压入桩端土层和桩周土体中；
(6)、注浆结束经养护加固后进行注浆后检测，注浆后检测的检
测方式与上述步骤(3)和(4)的检测方式相同；根据注浆前、后检
测得到的声学性质参数的对比分析，获得桩端、桩底和桩侧土体的土
层信息。
所述的步骤(6)中注浆结束后，在加固土体与未加固土体之间
形成第一和第二界面；其中，第一界面4为灌注桩3与原状土A之
间的界面，根据第一界面4的高度可以得到浆液沿桩身的上返高度h；
第二界面5为原状土A与原状土泥浆混合物B之间的界面，根据第
二界面5的位置可以得到浆液在桩底扩散深度H以及浆液在桩周原
状土中的扩散宽度d，根据上返高度h、扩散深度H和扩散宽度d可
以分析出浆液在沉渣、桩侧和桩端土体中的分布状态，从而可以评价
注浆对桩侧摩阻力的改善效果、对桩底沉渣的加固改善效果以及对桩
端承载力的改善效果。
所述的相控阵探头上移的间隔距离为100～500mm。
所述的相控阵探头11中各探头按环形阵列排列。
由波动理论可知声波的传播速度是一个可以反映介质物理属性
的参量，超声相控阵技术是利用超声波在介质中传播速度作为测试参
量，通过分析超声波传播速度以及声学特性在空间分布结构来间接性
描述和反馈各种不同介质在空间上的分布特征。桩基后压浆在浆液注
入后，桩端和桩周一定范围内的土体强度和密度必然会发生一定变
化，因而可以利用声学特性的差异来反映浆液的分布状况。
针对桩基后压浆加固范围，使用超声相控阵技术进行压浆效果的
检测内容主要包括：桩身周围土体浆液扩散宽度和浆液上返高度检
测、桩底沉渣区域加固与桩端原状土层浆液分布检测。
1、在桩基后压浆过程中，桩端以上一定高度内的泥皮土和泥皮
土外围的土体在一定宽度范围内得到加固，浆液固结后土体参与桩的
承载，改善了桩—土界面条件，提高了桩侧阻力，采用超声相控阵技
术的环形探头可以检测浆液在桩周的分布范围和上返高度，从而评价
注浆对桩侧摩阻力的改善效果。
2、在桩基后压浆过程中，桩基压浆注入的浆液与桩底的沉渣混
合固化，凝结成一个强度高、化学性能稳定的结石体，采用超声相控
阵技术的环形和阵列探头可以检测浆液在桩底沉渣的分布情况，从而
评价注浆对桩底沉渣的加固改善效果；
3、桩基压浆注入的浆液在桩端持力层中扩散和渗透，使得桩端
持力层的强度得到明显提高，从而提高桩端阻力，采用超声相控阵技
术的环形和阵列探头可以检测浆液在桩端持力层的分布范围，从而评
价注浆对桩端承载力的改善效果。
图1和图2中，h1和h2分别代表相邻灌注桩上浆液沿桩身上返
高度；d1、d2、d3和d4分别代表浆液在桩周原状土中扩散宽度，H1
代表浆液在桩底扩散深度。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显
然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技
术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应
认为是本发明的保护范围。