段 茗

0 引言

近幾年來,廣東的公路橋梁建設(shè)發(fā)展很快。眾多的橋梁基礎(chǔ)大多采用隱蔽的樁基礎(chǔ),樁基礎(chǔ)的質(zhì)量問題關(guān)系著人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全。樁基工程作為隱蔽工程,發(fā)現(xiàn)問題難,事故處理難。因此,樁基礎(chǔ)工程的試驗(yàn)和檢測顯得尤為重要。作為樁基檢測的常規(guī)手段,基樁反射波法檢測在我國橋梁樁基檢測中已有多年的歷史并已納入國家的規(guī)范。由于此種方法測點(diǎn)廣、經(jīng)濟(jì)、快捷、無損等諸多優(yōu)點(diǎn),反射波法作為使用頻率高且發(fā)展較快的無損檢測技術(shù),目前在橋梁的樁基檢測中應(yīng)用范圍很廣。

1 基樁反射波法的基本原理

基樁反射波法檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性的基本原理是:通過在樁頂施加激振信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)力波,該應(yīng)力波沿樁身傳播過程中,遇到不連續(xù)界面(如蜂窩、夾泥、斷裂、孔洞等缺陷)和樁底面時(shí),將產(chǎn)生反射波,檢測分析反射波的傳播時(shí)間、幅值和波形特征,就能判斷基樁的完整性。

2 影響樁身完整性測試結(jié)果的因素

2.1 尺寸效應(yīng)

低應(yīng)變反射波法的理論基礎(chǔ)是一維彈性桿縱波理論。采用一維彈性桿縱波理論的前提是激勵(lì)脈沖頻譜中有效的高頻諧波分量波長λ與被檢樁的半徑R之比應(yīng)足夠大(λ/R≥10),否則平截面假設(shè)不成立。另外激勵(lì)脈沖的波長與樁長相比又必須比較小,否則樁身的運(yùn)動(dòng)更接近剛體,波動(dòng)不明顯,從而對(duì)準(zhǔn)確測試波速、探測樁身缺陷深度(尤其是淺部缺陷)產(chǎn)生不利影響。同時(shí)樁的橫向、縱向尺寸與激勵(lì)脈沖波長的關(guān)系相矛盾,這種尺寸效應(yīng)在測試大直徑樁和淺部嚴(yán)重缺陷樁時(shí)就顯得非常突出。

2.2 樁周土效應(yīng)

在樁周存在土體情況下,樁—土體系在缺陷部位綜合阻抗差異與裸樁相比有減小趨勢,使反射信號(hào)減弱。在有些情況下,對(duì)于均勻樁體,也可以由于樁周土體的差異使樁—土綜合體系阻抗形成差異而產(chǎn)生反射波,這對(duì)樁身質(zhì)量檢測來說是一種“假缺陷信號(hào)”。

2.3 振源特性

在工程樁的實(shí)際檢測中,常用的瞬態(tài)激振設(shè)備是手錘和力棒,激振效果的好壞,主要受碰撞材料的重量、硬度、彈性模量、接觸面積以及碰撞方向和碰撞速度等影響。一般來說,材質(zhì)越軟、碰撞速度越低,錘體重量越重、錘體的重量和幾何尺寸與錘擊對(duì)象間越匹配,信號(hào)的脈沖寬度就越大,覆蓋的高頻成分也就越少。檢測工作中應(yīng)根據(jù)不同的樁型,選用適合的激振方式,才能取得好的檢測效果。另外采集儀器設(shè)備是否定期到法定計(jì)量機(jī)構(gòu)去校準(zhǔn)和計(jì)量也是影響樁測試的比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

2.4 混凝土齡期

從大量樁基檢測中,我們發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度及波速隨齡期的增長而增加。在早期低強(qiáng)度時(shí),混凝土的強(qiáng)度的增長小于波速的增長,隨著齡期增長,混凝土強(qiáng)度的增長大于波速的增長,甚至在強(qiáng)度達(dá)到一定值后,波速增長極慢。

2.5 養(yǎng)護(hù)條件

養(yǎng)護(hù)條件對(duì)波速的影響有以下規(guī)律:自然條件養(yǎng)護(hù)波速最低,蒸汽養(yǎng)護(hù)次之,水中養(yǎng)護(hù)波速最高。由于橋梁的混凝土樁基通常是處在樁周圍飽和土體的環(huán)境中,其養(yǎng)護(hù)條件比較接近水中環(huán)境,有利于波速的測定。干燥狀態(tài)中養(yǎng)護(hù)的混凝土因干縮等原因而造成的微裂縫也將使波速降低。在樁基檢測過程中要注意地下水位的變化對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)和波速的影響。

2.6 混凝土材料性質(zhì)

混凝土粗骨料的數(shù)量、品種及顆粒組成對(duì)聲波傳播速度的影響比較顯著,甚至稍微增加一些碎石的用量或采用較高彈性模量的骨料,波速就很敏感。在強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下,混凝土的聲波速度最高,砂漿次之,水泥石最低。

3 基樁反射波法檢測應(yīng)注意的一些問題

3.1 “淺部盲區(qū)”現(xiàn)象

我們在工程中進(jìn)行基樁完整性檢測時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)在曲線上不能正確判斷前部缺陷的現(xiàn)象,即“淺部盲區(qū)”現(xiàn)象。“盲區(qū)”的出現(xiàn)與檢測儀器、測試方式有關(guān)。從理論上講,當(dāng)兩個(gè)波峰距離相差小于1/4λ時(shí),兩個(gè)波峰的迭加,會(huì)出現(xiàn)個(gè)新的峰值。在測試記錄曲線上,來自淺部樁身的反射波與強(qiáng)大的初至波迭加在一起無法區(qū)分,而出現(xiàn)測試“盲區(qū)”。在實(shí)際的完整性檢測中,選取合理的激發(fā)接收裝置,可以使“盲區(qū)”減小。理論上講,通過選擇合理的激發(fā)接收裝置,基樁完整性測試可以沒有“盲區(qū)”,但由于測試儀器和測試方法的問題,“淺部盲區(qū)”現(xiàn)象確實(shí)存在。

3.2 判斷樁長問題

實(shí)際的基樁檢測中,影響檢測樁長的因素很多,主要有:1)波的衰減特性。進(jìn)行基樁檢測樁時(shí),樁周土質(zhì)點(diǎn)會(huì)隨樁身儀器振動(dòng),一部分彈性波的能量傳入土中,也造成彈性波的衰減;2)擊發(fā)方式(擊發(fā)頻率、能量)的影響;3)撞擊施工工藝和樁型的影響。

3.3 區(qū)分缺陷問題

由于所測得的樁頂反射波幅度受各種因素影響,縮徑、裂隙、離析的表現(xiàn)形式完全相同,造成缺陷的具體性質(zhì)無法正確判定,要進(jìn)一步判斷樁身缺陷的性質(zhì),除分析測樁曲線特征外,應(yīng)綜合分析基樁施工工藝、施工記錄及場地工程地質(zhì)條件等因素。

3.4 養(yǎng)護(hù)齡期問題

混凝土是一種與齡期有關(guān)的材料,其強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而增加。在最初的幾天內(nèi)強(qiáng)度快速增加,隨后逐漸變緩,其物理力學(xué)、聲學(xué)參數(shù)變化趨勢亦大體如此。

3.5 阻抗變化問題

一些缺陷如縮徑、離析、空洞等發(fā)生在樁身的某一段,而且缺陷程度是由輕至重或由重至輕。對(duì)于這樣漸變的阻抗界面,反射波信號(hào)往往反映得不很明顯,給完整性判斷帶來了困難。漸變的阻抗變化會(huì)造成時(shí)域曲線上界面反射不易辨認(rèn),位置計(jì)算不準(zhǔn)的現(xiàn)象。在阻抗突變處的一次或二次反射常表現(xiàn)為類似明顯擴(kuò)徑、嚴(yán)重缺陷或斷樁的相反情形,從而造成誤判。因此,可結(jié)合施工、地層情況綜合分析加以區(qū)分;無法區(qū)分時(shí),應(yīng)結(jié)合其他檢測方法綜合判定。

4 工程檢測實(shí)例

4.1 工程概況

我們以東莞某大橋北行H32墩的樁基檢測為例,該墩處上部結(jié)構(gòu)為32.5 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁結(jié)構(gòu)形式,下部結(jié)構(gòu)為雙樁單柱的一字形承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式。樁基混凝土標(biāo)號(hào)為C30,主筋直徑為25mm(Ⅱ級(jí))。該墩處地下水十分豐富,對(duì)泥質(zhì)頁巖的強(qiáng)度影響很大,樁基處于不穩(wěn)定的流塑性巖土層中。從施工資料上看,H32-1號(hào)樁基位于中風(fēng)化泥頁巖上界面處,距離微風(fēng)化泥頁巖界面5.3 m左右;H32-2號(hào)樁基進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥頁巖2.6m,距離微風(fēng)化泥頁巖界面4.6m左右。兩根樁均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的入中風(fēng)化至少兩倍樁徑的入巖深度。因此該橋墩樁基承載力較差。

4.2 檢測分析

根據(jù)實(shí)測波形特性,結(jié)合地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)和施工情況將樁身結(jié)構(gòu)的完整性按四類劃分:Ⅰ類樁:樁身完整或基本完整。Ⅱ類樁:樁身存在一般性缺陷。Ⅲ類樁:樁身存在明顯缺陷。Ⅳ類樁:樁身存在嚴(yán)重缺陷或斷樁。

樁身質(zhì)量檢測結(jié)果見表1。

表1 某大橋北行H32號(hào)橋墩樁基反射波法檢測結(jié)果

4.3 檢測評(píng)價(jià)

由于基樁反射波法原理和檢測方法的局限性,本檢測方法不能具體確定缺陷的形式或平面位置,樁身缺陷的形式可能為:混凝土離析、蜂窩、縮徑、夾泥或裂縫等;樁底缺陷的形式可能為:混凝土離析、沉渣過厚、樁底持力層強(qiáng)度低或樁底有溶洞等。

5 結(jié)語

基樁反射法檢測基樁樁身完整性理論和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)都不成熟,對(duì)其影響因素的認(rèn)識(shí)也不深入。目前工程界主要注重經(jīng)驗(yàn)和工程類比,理論滯后于工程實(shí)踐。樁基工程是地下隱蔽工程,復(fù)雜的地質(zhì)條件等諸多因素的影響,給正確地檢測、有效的驗(yàn)證帶來較大的困難,樁身質(zhì)量檢測基本上仍處于定性階段,完全定量化更需要一個(gè)艱苦長期研究過程。

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