覃 錕
(廣西桂通工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530028)
樁基是公路橋梁采用較多的基礎(chǔ),其質(zhì)量關(guān)系到整座橋的工程質(zhì)量。樁基由于受到地質(zhì)條件和施工人員、機(jī)械、材料等條件的影響,容易產(chǎn)生斷樁、縮徑、擴(kuò)徑、離析、樁底沉渣過(guò)厚、混凝土強(qiáng)度不足、夾層等缺陷。樁基檢測(cè)工作就是要找到這些缺陷進(jìn)行處理,最普遍、簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法是聲波透射法和低應(yīng)變法。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比和總結(jié),綜合兩種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn),提高對(duì)樁基缺陷判斷的準(zhǔn)確率。
由于樁基施工工藝不合理或地質(zhì)條件復(fù)雜等因素,樁基通常會(huì)出現(xiàn)各種缺陷,不同程度地影響樁基的承載能力:
(1)斷樁,指樁身斷裂或者斷開(kāi)的情況,是一種嚴(yán)重的缺陷,直接影響樁基承載力。斷樁主要由外界壓力過(guò)大或者拔管過(guò)快造成。
(2)樁底沉渣過(guò)厚,指樁底與巖層之間存在過(guò)厚的軟弱層。對(duì)于端承樁來(lái)說(shuō),這種缺陷在很大程度上影響了樁基的承載力。這主要是清孔不干凈或者灌注前塌孔造成的。
(3)離析,主要是混凝土配合比不當(dāng)或和易性不好,造成某一段混凝土骨料不均勻,混凝土呈現(xiàn)蜂窩狀或含砂過(guò)高的形態(tài),這也直接導(dǎo)致了樁身強(qiáng)度偏低,承載力不足。
(4)夾泥、空洞、擴(kuò)徑、縮徑,主要是混凝土材料沒(méi)有嚴(yán)格控制,混入了泥土;地基土質(zhì)黏性大或者孔壁在混凝土灌注時(shí)出現(xiàn)輕微塌孔造成的。
本節(jié)分析出缺陷的成因及現(xiàn)象,有助于選擇檢測(cè)方法,更加直觀地分析檢測(cè)數(shù)據(jù)、判斷樁身缺陷。
聲波透射法檢測(cè)就是利用波的傳播理論[1]。當(dāng)混凝土樁存在缺陷時(shí),混凝土就不再是一個(gè)均勻的整體,缺陷面就形成了一個(gè)阻抗面,應(yīng)力波在阻抗面會(huì)產(chǎn)生反射和折射,波速和波幅也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。而聲波透射法就是利用這一原理,在聲測(cè)管中向混凝土發(fā)射超聲波,超聲波在經(jīng)過(guò)缺陷時(shí),產(chǎn)生了繞射和散射,儀器接收到這些缺陷信息,將其與完整的信息參數(shù)作對(duì)比分析,就可以了解到混凝土內(nèi)部的質(zhì)量狀況。
通過(guò)聲時(shí)、波幅、接收到的波頻率和波形以及分析后的PSD判據(jù)對(duì)樁基缺陷進(jìn)行判斷。
(1)聲時(shí)是超聲波由換能器發(fā)出,穿過(guò)混凝土后接收器接收到超聲波的時(shí)間。如果混凝土質(zhì)量沒(méi)有缺陷,當(dāng)聲測(cè)管距離不變時(shí),儀器接收到的聲時(shí)應(yīng)當(dāng)沒(méi)有太大變化;如果樁基存在斷樁、離析、空洞等缺陷時(shí),超聲波到阻抗界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射、透射和繞射,聲波傳播時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)。儀器經(jīng)過(guò)分析數(shù)據(jù)生成“聲時(shí)-深度”圖,就可以更加直觀了解到檢測(cè)剖面的情況了。
(2)波幅也是判定樁基是否存在缺陷的一個(gè)重要數(shù)據(jù)?;炷恋拿軐?shí)度會(huì)影響聲波波幅,樁身越密實(shí),波幅越大;越松散,波幅越小。聲波通過(guò)缺陷形成的阻抗面時(shí)發(fā)生反射和散射,能量被大大削弱了。在聲波透射法中,我們以首波的波幅來(lái)判斷樁身是否存在缺陷。
(3)接收到的波頻率和波形也是我們判定樁身是否存在缺陷的依據(jù),不同頻率的超聲波在混凝土中傳播的衰減量不同,混凝土內(nèi)部質(zhì)量越差,超聲波衰減越大,接收到的頻率越低。首波的第一個(gè)周期計(jì)算衰減的頻率比較準(zhǔn)確。由于有各種各樣的缺陷界面,聲波經(jīng)過(guò)缺陷面會(huì)產(chǎn)生反射和折射,這些雜亂無(wú)章的聲波互相疊加后形成新的波形,因此,接收到新的波形也可以判斷缺陷。
(4)PSD判據(jù)。由于工程多數(shù)是在野外施工,受種種條件的約束,灌注樁的均勻性往往較差。超聲波檢測(cè)得到的各項(xiàng)參數(shù)離散性較大,聲測(cè)管間距也存在變化。因此,其他參數(shù)使用概率法容易造成誤判。PSD判據(jù)可以有效克服該缺點(diǎn),準(zhǔn)確地分辨出缺陷。PSD判據(jù)利用“聲時(shí)-深度”曲線相鄰兩點(diǎn)的時(shí)間差和兩點(diǎn)連線的斜率的乘積作為判據(jù),再結(jié)合其他參數(shù)情況來(lái)判定波形是否異常。這樣能夠消除聲測(cè)管偏差及樁身均勻性不足等因素對(duì)檢測(cè)的影響,有效地對(duì)缺陷進(jìn)行判斷。
如果只依靠聲波透射法檢測(cè)樁基的指標(biāo)評(píng)定很容易出現(xiàn)誤判、漏判,準(zhǔn)確性差。只有結(jié)合多種數(shù)據(jù)類型,綜合評(píng)判才能得到可靠的結(jié)果。
低應(yīng)變法是將樁身假設(shè)為一維彈性桿[2]。檢測(cè)前先將樁頂?shù)能浫鯇予彸?,然后根?jù)樁徑大小設(shè)置傳感器的位置。檢測(cè)時(shí)錘擊樁頂形成應(yīng)力波,應(yīng)力波在樁身中向下傳播,當(dāng)應(yīng)力波遇到缺陷面時(shí),由于波阻抗發(fā)生變化,入射波發(fā)生透射、反射、散射,傳感器接收到這些波形,通過(guò)對(duì)這些波形的分析,由反射波聲時(shí)可以推斷出樁長(zhǎng)和缺陷深度;由反射波的正反向、波幅大小可以判斷缺陷的類型。低應(yīng)變法的理論基礎(chǔ)實(shí)際就是一維彈性桿件的彈性波傳播理論。
(1)首先應(yīng)當(dāng)對(duì)樁基進(jìn)行必要的處理,先鑿除樁頂軟弱層,使樁露出密實(shí)的混凝土面,根據(jù)樁徑的大小對(duì)樁基的傳感器進(jìn)行布點(diǎn),布點(diǎn)位要打磨光滑,這樣才能使傳感器有效粘結(jié),也方便激振信號(hào)。
(2)激振時(shí),傳感器和激振方向都要盡量滿足豎直向下,傳感器與樁身要耦合好,粘結(jié)劑通常選用黃油。粘結(jié)劑要求劑量適中,劑量過(guò)少容易造成傳感器不穩(wěn);劑量過(guò)多,傳感器接收到的數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)變差。錘擊樁頂時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量避開(kāi)鋼筋區(qū)域,防止鋼筋產(chǎn)生干擾信號(hào)。
(3)應(yīng)當(dāng)根據(jù)樁徑、樁長(zhǎng)的不同,選擇相適應(yīng)的材質(zhì)和質(zhì)量的力棒,這樣才能獲得適合分析的低頻的寬脈沖或高頻的窄脈沖。用適當(dāng)?shù)哪芰控Q直向下激振,使反射波形可以看到明顯的樁底信號(hào)。激振能量不應(yīng)過(guò)大,能量過(guò)大會(huì)使樁周介質(zhì)產(chǎn)生位移,干擾反射波形。還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況來(lái)變換傳感器和激振位置,用不同的力棒敲擊來(lái)檢測(cè)樁基的深部和淺部缺陷情況[3]。
(4)在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)當(dāng)對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)判,如果不能得到預(yù)判結(jié)果,應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)該檢測(cè)點(diǎn)多次采集,若同一測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)收集到的信號(hào)不一致或同一根樁不同檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)不一致時(shí),應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加檢測(cè)點(diǎn)。分析造成數(shù)據(jù)不一致的原因,如果樁頂有質(zhì)量問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)對(duì)樁進(jìn)行必要的處理后再次檢測(cè)。
低應(yīng)變法是在理想條件下的檢測(cè)方法,當(dāng)樁基的嵌巖深度過(guò)長(zhǎng),樁身和巖層波阻抗差異太小,反射波曲線無(wú)法分辨出樁底反射波形;當(dāng)檢測(cè)長(zhǎng)徑比超過(guò)一定限定的樁,高頻波不能到達(dá)樁底,低頻波分辨率不足,缺陷容易漏判。低應(yīng)變法對(duì)淺層缺陷和太小的缺陷都無(wú)法判斷,局限性較大。
聲波透射法可以較直觀地發(fā)現(xiàn)缺陷位置,但只能對(duì)每一個(gè)剖面單獨(dú)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)估,當(dāng)受檢樁基的同一個(gè)截面上多個(gè)剖面有不同的完整性表述出來(lái)時(shí),很難對(duì)這根樁的質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。聲波透射法還受到埋設(shè)聲測(cè)管的影響,聲測(cè)管不平行就容易造成檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際不符。如果樁長(zhǎng)較長(zhǎng),在樁底聲測(cè)管很難做到平行,給檢測(cè)人員對(duì)樁基質(zhì)量的判讀帶來(lái)困難。低應(yīng)變法只能判斷出有無(wú)缺陷及缺陷的大概位置,不能直觀地發(fā)現(xiàn)缺陷。如果樁身嵌巖深度大或者土層的阻尼過(guò)大,則樁身的缺陷及樁底反射信號(hào)基本沒(méi)有辦法接收到,由此可見(jiàn)兩種檢測(cè)方法的綜合分析很重要[4]。采用聲波透射法和低應(yīng)變法一起檢測(cè)樁基缺陷,一方面可以避免單一檢測(cè)方法的局限性,另一方面又可以用兩種方法相互驗(yàn)證結(jié)果,增加了判樁的準(zhǔn)確性,滿足客戶要求。
有一座在建橋梁,施工方法為機(jī)械沖孔樁,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,混凝土齡期均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,對(duì)該橋采用聲波透射法和低應(yīng)變法檢測(cè),其中有一根樁基,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為10.8 m,設(shè)計(jì)樁徑為1 500 mm,檢測(cè)結(jié)果波形圖如圖1所示。
A-B面
A-C面
B-C面
經(jīng)檢測(cè)AC剖面與BC剖面在10.0~10.8 m處聲時(shí)明顯延長(zhǎng),波速明顯降低,而AB剖面則無(wú)明顯變化,波形完整性較好。聲速、波幅、PSD值均顯示:在A-C、B-C兩個(gè)剖面,混凝土在10.0~10.8 m處出現(xiàn)異常,A-B面無(wú)異常,我們初步認(rèn)為A-C與B-C剖面可能存在缺陷,但也有可能是聲測(cè)管傾斜導(dǎo)致聲時(shí)和波幅的變化。為了進(jìn)一步確定缺陷的性質(zhì)和程度,對(duì)這根樁基進(jìn)行了低應(yīng)變法檢測(cè),得到如下波形(如圖2所示)。
圖2 樁基低應(yīng)變檢測(cè)波形圖
通過(guò)低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果可以分析出樁身基本完整,波形光滑,無(wú)其他明顯缺陷,在10.8 m處樁底反射信號(hào)良好,不影響樁基承載力,可以認(rèn)為圖1出現(xiàn)的問(wèn)題是聲波透射法檢測(cè)中聲測(cè)管傾斜造成的缺陷信號(hào),樁基本身無(wú)問(wèn)題。
聲波透射法能比較直觀地確定缺陷位置,為檢測(cè)人員提供直觀的信息,但當(dāng)有些缺陷存在一個(gè)或幾個(gè)剖面時(shí),不能根據(jù)這幾個(gè)剖面來(lái)判定整根樁基的質(zhì)量,這時(shí)利用低應(yīng)變法來(lái)輔助檢測(cè),就更容易從整體上給樁基質(zhì)量定性。結(jié)合兩種方法來(lái)確定樁身的完整性更為有效,更具說(shuō)服力。
本節(jié)通過(guò)實(shí)例分析了兩種檢測(cè)方法的特點(diǎn),并認(rèn)為兩種檢測(cè)方法對(duì)樁基進(jìn)行綜合分析能夠彌補(bǔ)單一檢測(cè)方法的不足,更為有效地判斷樁基質(zhì)量。
(1)檢測(cè)結(jié)果受多種因素的影響,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果不同的反應(yīng)特征可以判斷出各種不同的樁基缺陷類型。很多時(shí)候,樁基檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)樁基施工情況和了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況,對(duì)這些因素進(jìn)行綜合分析才能對(duì)缺陷的成因有準(zhǔn)確的判斷。
(2)不同的檢測(cè)方法能夠提供樁基的多種物理特性數(shù)據(jù),能夠更全面地分析樁基缺陷的成因。
(3)聲波透射法能夠更加直觀地反映樁基的缺陷細(xì)節(jié),而低應(yīng)變法能對(duì)樁基整體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),兩種檢測(cè)方法運(yùn)用于同一根樁基中,能讓檢測(cè)人員更加準(zhǔn)確地分析樁基缺陷,得到令人信服的檢測(cè)結(jié)果。
總而言之,采用兩種檢測(cè)方法對(duì)樁基進(jìn)行綜合分析,能更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)樁基質(zhì)量。
[1]劉德志.聲波透射法準(zhǔn)確判斷樁身完整性的應(yīng)用研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2012.
[2]丁恒軒.低應(yīng)變反射波法基樁質(zhì)量檢測(cè)理論與應(yīng)用[D].南京:南京理工大學(xué),2012.
[3]王樹(shù)棟,鄭亞宏,舒 森,等.低應(yīng)變法在樁基淺部缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[J].路基工程,2011(1):146-149.
[4]陳 風(fēng),徐天平.樁基質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.