因为桩的完整性检测是桩基检测技术的一个重要方面, 即检测桩身的无缩颈、断桩、夹泥、空洞、离析等桩的缺陷。超声无损检测在工业中应用非常广泛, 近年来, 随着国家基建项目投入的增加、工程质量控制力度的加强, 混凝土超声无损检测亦得到了强有力的推广。超声法检测的物理基础是, 在仪器的控制下借助换能器向被测物体发出声波, 再通过接收换能器接收声波, 由仪器或人工对接收声波加以处理得到关于被测物体性状的信息。根据波的传播途径和接收方式, 可将工作模型分为: (1) 回波法; (2) 透射法。鉴于混凝土的非均质性, 和金属探伤相比回波法应用受到限制, 应用较广泛的是透射法。
广明高速公路桥梁桩基础部分为人工挖孔桩, 桩径从1.2~2.5m不等, 且该地段常年雨水较多, 采用人工挖孔灌注桩容易产生以下质量问题:
(1) 地下水渗流严重的土层, 易使土壁崩塌, 土体失稳塌方。
(2) 土层出现流砂现象或有动水压力时, 护壁底部土层会突然失去强度, 泥土随水急速涌出, 产生井涌, 使护壁与土体脱空, 或引起孔型不规则。
(3) 挖孔时如果边挖边抽水, 地下水位下降时, 护壁易受到下沉土层产生的负摩擦作用, 使护壁受到拉力, 产生环向裂缝, 护壁所受的周围土压力不均匀时, 又将产生弯矩和剪力作用, 容易引起垂直裂缝。而桩制作完毕, 护壁和桩身混凝土结为一体, 护壁是桩身的一部分, 护壁裂缝破损或错位必将影响桩身和侧阻力的发挥。
(4) 孔较深时, 若没有采用导管灌注混凝土, 混凝土从高处自由下落易产生离析。
(5) 孔底水不易抽干或未抽干情况下灌注混凝土, 桩尖混凝土将被稀释, 降低桩端承载力。鉴于桩基工程是隐蔽工程, 施工难度大、技术含量高, 有很多标段还是水下灌注混凝土, 容易出现质量问题, 需对所有桩基的完整性进行检测。
在桩基完整性检测时, 把桩简化为一维的弹性直杆, 桩受力时保持等截面, 忽略桩的内外阻尼和桩侧土阻力, 桩周土对桩的约束和支撑作用, 集中由桩底的一个弹簧代替。从桩体截出dx段, 由达朗贝原理可推导出波动方程:
式中:, 为应力波传播速度, P为质量密度, E为弹性模量;u为质点位移。
对波动方程可用分离变量法和行波法求解。利用行波法对波动方程求解, u=f (x-Vct) +g (x+Vct) , 其物理意义是波动解由2个行波迭加而成, 一个是以 (x-Vct) 为分量的f波, 另一个是以 (x+Vct) 为分量的g波, 这2个波均以不变的波速沿x轴传播。用力棒敲击桩顶, 产生一种沿桩身向下传播的力波 (下行波) , 如桩身没有缺陷, 此应力波传至桩底再反射回来至桩顶, 见图1;如桩身有缺陷则入射波在缺陷位置有反射波和透射波, 反射波直接返回桩顶, 透射波继续传播至桩底再产生反射波返回桩顶, 见图1~图4所示。
应力波反射法是一种瞬态激励, 综合分析判断, 直接对桩进行无损检测的动力验桩方法。它可快速判断桩的完整性, 鉴定桩的缺陷性质如断桩、缩颈、扩颈、夹泥、离析等。
(1) 低应变桩基完整性检测中缺陷的大小还不能定量分析, 只能靠经验判断, 在这方面荷兰TNO公司和国内有关研究单位已经初步开发出一些低应变波形拟合分析方法, 这是完整性检测中继续研究的重点。
(2) 低应变动测桩基承载力依赖于静动对比系数, 必须建立各种地质条件、各种桩型条件下的静动对比系数数据库。
(3) 在实测中, 桩侧土阻力特别是动土阻力对应力波传播的影响非常大, 表现为: (1) 导致应力波迅速衰减; (2) 影响缺陷反射波幅值; (3) 产生土阻力波。因此限制了可测桩的长度, 根据实测经验, 可测桩长限制在5~50m, 桩基直径限制在1.8m之内较合适。
当然, 超过50m的桩长的桩也有得到桩底反射信号的经验, 但基于桥梁桩承载力要求高, 大部分是单桩单柱及低应变反射信号, 对局部缺陷、深部缺陷反映不敏感、受地质变化影响较大等特性。
超声波是一种机械波, 机械振动和波动是超声测试的物理基础, 同时它又是弹性波测试方法中的一种, 固体介质中弹性波的传播理论是它的理论基础。超声波技术应用于混凝土质量的无损检测已有很长的历史, 而声波透射法应用于基桩检测, 则是近几年才引进发展起来的, 由于它具有仪器轻便、抗干扰能力强、观测准确度高、结果直观可靠, 所以被广泛推广使用, 已成为一种比较成熟可靠的灌注桩无损检测方法。
声波透射法是在桩内预埋纵向声测管道, 将超声脉冲发射和接收探头置于声测管中, 管中充满清水作耦合剂, 由仪器发出周期性电脉冲通过发射探头发射并穿透混凝土, 被接收探头接收并转换成电信号。由仪器中的测量系统测出超声脉冲穿过桩体所需时间、接收波幅值、接收脉冲主频率、接收波形及频谱等参数。最后由数据处理系统按判断软件对接收信号的各种参数进行综合判断和分析, 即可对混凝土各种内部缺陷的性质、大小、位置做出判断, 并给出混凝土总体均匀性和强度等级的评价指标。
数据分析的几种方法:
(1) 声时分析:选取声时平均值μt与声时2倍标准差δt之和作为判定桩身有无缺陷的临界值。
式中:n为测点数;ti为第i个测点的声时值;μt为声时平均值;δt为声时标准差;St为判定桩身有无缺陷的临界值。
若ti>St, 即判定基桩在此深度处可能存在缺陷。
(2) 波幅分析:波幅是对缺陷最为敏感的声学参数, 选取接收到的超声波信号波幅平均值的一半作为判断有无缺陷的临界值, 波幅值以衰减器的衰减量q表示, 通常用分贝值表示:
式中:μq为波幅平均值;qi为第i个测点的波幅;n为测点数;Qd为判断桩身有无缺陷的临界值。
若qi
(3) PSD法:提出“声时~深度曲线”相邻两点间的斜率和差值的乘积作为判断依据。
式中:Si为第i-1测点与第i测点之间“声时~深度”曲线的斜率;Hi-1和Hi为相邻两测点的深度。根据PSD判据的性质, 可得出断桩临界判据:
式中:Kc为出现断桩或全断面夹层时的临界判据;L为声测管的间距;V1为混凝土的平行声速;V2为夹层内含物的估计声速。
当某点的PSD判据Ki>Kc时, 该点可判为断桩。
在某些标段的基桩检测中, 由于个别工地工期紧, 而且正值7月, 气温较高, 混凝土的强度应该上来的很快, 所以现场监理和施工单位希望对灌注后第5d的桩基进行检测。检测过程中发现接收信号相当微弱, 波形衰减严重, 全部测点普遍存在这种情况, 初步分析是龄期的问题。灌注后第9d再次检测, 信号及波形良好, 结果分析为完整无缺陷桩。可见龄期对声测结果的影响之大, 建议检测时间最低应满足7d天龄期 (规范要求14d龄期) 。
声测管在桩的横截面上的布局如图5所示的3种方式, 图中阴影部分为检测有效区。根据工地实测验证, 直径1m以下的桩, 采用方案I (两管对测) , 即可基本上反映全断面各部位的主要缺陷;1m以上的桩应采用方案Ⅱ (三管测量) , 该方案的“盲区”在中心位置, 而中心位置产生缺陷的可能性最小, 对于直径2.5m以上的大直径桩, 则应采用方案Ⅲ (四管六次对测) 。声测管之间的不平行度应控制在一定的范围内, 但在实际施工中, 由于钢筋骨架刚度的原因, 会造成一定的误差, 应尽量控制。
在某中桥的基桩检测中, 其8-D号桩设计桩径1.5m, 预埋3根检测管, 声波透射法检测发现桩顶及以下3m混凝土存在严重缺陷。用钻孔取芯法验证时, 却没有发现这一问题。最后经过开挖, 证实声波透射法结果正确, 缺陷部位正好处于流沙层, 检测管被流沙包裹住, 声测结果缺陷截面偏大。而钻孔部位靠近桩的中心, 所以避开了缺陷范围, 没有反映出桩身质量的真实情况, 故钻芯取样的过程时应尽量在声测过程中发现问题的界面附近钻取芯样以反映真实的桩基情况。
(1) 声测管是进行声测时换能器进入桩体的通道。它是灌注桩超声脉冲检测系统的重要组成部分, 其在桩内的预埋方式及其在桩截面上的布置方式, 将直接影响检测结果。因此, 需检测的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸, 布置声测管的埋置数量及其在桩横截面上的布局上应考虑检测的控制面积。
(2) 在实测中常常会遇到声测管堵塞或卡住探头的情况, 这是由于声测管的安装不当造成的。声测管一般随钢筋笼分段安装, 每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接方案, 尽量避免两声测管直接进行焊接, 以免内壁进入焊渣, 造成堵管现象。且应保证在较高的静水压力下不漏浆, 接口内壁应保持平整, 安装完后将上口用木塞堵住。声测管安装的不平行也是常见问题, 由于在施工中钢筋笼容易出现扭曲变形而导致声测管位移甚大, 因而导致检测的声时值、均方差、离散系数、平均声速等统计值产生偏离。出现这种情况, 就要综合考虑判断。
(3) 可以采用PSD判据法判断来消除这些非缺陷因素的影响, PSD判据即在缺陷区由于超声传播介质发生变化, 因此“声时~深度曲线”, 再缺陷区的边界上, 从理论上来说应是一个不连续函数, 至少在缺陷边界上斜率增大。
(1) 与低应变法相比, 超声波检测不受桩径大小和桩长的限制, 且信号稳定可信, 容易分析。
(2) 由于桩基在其中间位置部位出现缺陷的机会最小, 所以, 在钻芯取样的过程时, 不赞成抽取桩基中心位置, 应在声波检测问题剖面钻芯取样。
(3) 钻孔取芯有一孔之见的局限, 只能对小局部范围进行判断, 故在桩基等级评定时, 仍应以无损检测为主。
摘要：本文主要针对高速公路桥梁桩基检测为背景, 在论述低应变法的基础上, 分析了其内在的不足, 探讨依据超声波检测桩基的理论基础和技术要点, 说明超声波检测法的技术优势和检测结果的可靠性, 最后分析了在桩基检测过程中遇到的种种困难和建议的解决方法。
关键词：高速公路桥梁,桩基检测,分析
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