目前,普遍使用的樁基礎(chǔ)完整性測量方法為反射波(PIT)檢測,該測量方法的速度較快、成本較低,同時有較高適用性,但在實際工程測量中卻經(jīng)常出現(xiàn)偏差、漏判等問題,導致技術(shù)人員對PIT檢測方法的有效性產(chǎn)生了質(zhì)疑。本文結(jié)合作者多年實踐經(jīng)驗,主要研究應力反射波法在橋梁樁基檢測中的常見問題。
PTI測量技術(shù)就是應用反射波法,用手錘在樁頭上施加一定的沖擊力,在樁頭產(chǎn)生向下傳播的應力,產(chǎn)生反射信號,之后利用速度或者加速度傳感器接受反射信號。再對反射波作出曲線分析,判斷樁身是否完整。反射波的實現(xiàn)是建立在一維彈性桿縱波理論的基礎(chǔ)上,將樁身視為一維勻質(zhì)彈性體構(gòu)件,當樁體受到能量較小的激振動時會產(chǎn)生彈性應變,彈性應變以應力波的形式向樁身下方傳遞,應力波傳遞的規(guī)律遵循一維波動方程,從而根據(jù)一維波動方程得到反射波的傳遞規(guī)律。
通過一維桿縱波理論測量樁基礎(chǔ)完整性時,要求激振脈波的波長與被檢測的樁基礎(chǔ)的半徑比值要大于10,否則測量無法實現(xiàn)。另外要求激振脈沖的波長與樁基礎(chǔ)長度之間的比值要小,否則應力波在樁基礎(chǔ)中的傳播就類似于剛體,無法表現(xiàn)出明顯的波動性,對樁基礎(chǔ)完整性的判斷產(chǎn)生影響。樁基礎(chǔ)的橫向尺寸、縱向尺寸與脈沖波之間的關(guān)系是相反的,對于直徑較大的樁基礎(chǔ)淺部檢測就會表現(xiàn)出明顯的缺陷,導致了應力波檢測中尺寸效應問題。另外,應力波反射檢測法會由于樁身的缺陷出現(xiàn)過渡性變化,或者當樁身存在缺陷的方向是橫向或者縱向時,會導致測量信息無法通過波動曲線直觀表現(xiàn)。
樁基常見問題包括縮頸、離析、擴徑、斷樁等??s頸的主要特征是波速基本正常,在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)同向反射波;離析的主要特征是波速低于平均波速,且在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)同向反射波;擴徑的主要特征是波速基本正常,在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)反向反射波;斷樁的主要特征是波速偏大、非常大,且在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)同向反射波。
在通過低應變反射波法檢測樁基的時候,要求傳感器及敲擊點設置在硬度較高、表面平整的混凝土中,且傳感器與樁身呈現(xiàn)垂直狀態(tài)。若是敲擊點的位置落在樁基礎(chǔ)頂部未鑿凈或是平整度不足的位置,就會導致應力波無法完全垂直向下傳遞,導致樁基礎(chǔ)下部的信息被掩蓋。
傳感器的選擇是低應變反射波樁基檢測中的重要影響因素,要求傳感器與樁基礎(chǔ)相互匹配,一般情況下選擇頻率范圍寬、靈敏度較高或者線性波動范圍大的感應器。同時感應器與樁基礎(chǔ)的耦合程度越高,測量結(jié)果也越準確,所以要求兩者之間的粘結(jié)程度較高,通過粘結(jié)效果好的粘結(jié)物可以有效提高兩者的結(jié)合度,同時減少雜波的收集。通過實踐發(fā)現(xiàn),在樁基礎(chǔ)的頂部圓心敲擊,傳感器應該安裝在距離樁基礎(chǔ)中心2/3的位置。
激振波的形成是錘擊產(chǎn)生的,而剛度較大的鐵錘能夠激發(fā)出脈沖寬度很窄的矩形波,對提高缺陷位置的分辨率有積極作用。但相應的信號會發(fā)生快速衰減,對樁身或樁底位置的測量非常不利。相比鐵錘而言,剛度較小的尼龍錘激發(fā)出的波動頻率寬度較高,有利于樁身及樁底的測量,但是難辨別出樁頭的缺陷,所以需要根據(jù)測量需要選擇相對應的激振錘。
在樁基礎(chǔ)的檢測過程中,要求檢測人員的專業(yè)能力較強、做好記錄,但目前由于檢測人員的原因,檢測存在以下問題:
在相關(guān)的檢測規(guī)范中指出,低應變反射波檢測技術(shù)僅應用于樁身完整性的檢測,無法測量樁身的承載力。低應變反射波測量法想要判斷測量樁承載力不足,則必須結(jié)合靜載試驗等方式檢測。
反射波的波速與樁基礎(chǔ)的混凝土強度之間不呈現(xiàn)對應關(guān)系,主要是由于反射波除了與樁基礎(chǔ)的混凝土強度、樁身長短有關(guān),樁基礎(chǔ)混凝土的骨料品種、密度、水灰比甚至施工工藝等內(nèi)容都會對反射波產(chǎn)生影響,所以認為樁基礎(chǔ)的反射波與混凝土強度之間具有對應關(guān)系是錯誤的。
部分測量人員認為通過低應變反射波法檢測樁基礎(chǔ)完整性時,應該具有一個與入射波同時到達樁底部的反射波,但實際上,樁基礎(chǔ)部分樁身的阻抗與持力層的阻抗相互匹配時,無樁底板反射波也是正常的。相反,對于嵌巖樁來說,若出現(xiàn)了與入射波相反的反射波時,則說明該檢測方法是不合格的,應該使用其他方式檢測嵌巖樁的完整性。
在相應的操作規(guī)范中,通過低應變反射法檢測樁基礎(chǔ)時,樁基礎(chǔ)的頂面必須是平整與密實的,同時根據(jù)一維桿所建立的偏微分方程還需要保證樁頂部的自由。因此,若是承臺已經(jīng)澆筑完成,再采取低應變反射波法測量的做法是錯誤的。
由于科技及經(jīng)驗的限制,交通運輸部及住房和城鄉(xiāng)建設部規(guī)范中均未明確給出波速與強度的對應關(guān)系,現(xiàn)場輸入波速在一定程度上需依靠經(jīng)驗。利用時域圖分析樁身缺陷遇到阻礙時,為了得到更清晰、直觀的圖形,往往把記錄下來的時域波形圖進行振幅譜和功率譜分析。通常采集的是速度波,當樁底不明顯時,需采集加速度波,使分析更明確。
根據(jù)小應變的基本原理V=2L·△f,依據(jù)原鐵道部規(guī)范給出的波速與強度對應關(guān)系,選擇適當?shù)牟ㄋ?,根?jù)平時檢測最短樁和最長樁計算出一個頻率范圍,選擇傳感器的頻率應在這一范圍內(nèi),且傳感器頻率響應應在±10%。例如,某樁基混凝土設計強度為C30,取V=3900,設所測最長樁基L1=5m,最短樁基L2=60m,將V、L1、L2代入V=2L·△f求得最大頻率為390,最小頻率為3.25,則選擇傳感器的頻率應在3.25~390內(nèi),且傳感器頻率響應應在0.325~39范圍內(nèi)。
對嵌巖樁,要注意入巖與樁底的區(qū)別;對于普通樁或絕大多數(shù)摩擦樁,樁底反射波均為同向反射波。嵌巖樁入巖時,遇到巖石的強度大于混凝土的情況,會在入巖位置出現(xiàn)反向波,簡單的理解為擴徑。如果巖石層比較厚,將很難看到樁底。巖石強度較低,則會在樁底出現(xiàn)同向反射波,此處位置才是真正的樁底。
對于摩擦樁而言,土層出現(xiàn)變化也可能導致圖形缺陷。因此,在樁基出現(xiàn)缺陷時,為防止誤判,需根據(jù)甲方提供詳細的地質(zhì)資料綜合分析判斷。
雖然低應變反射波測試法具有檢測速度快、檢測成本低及適用性強的優(yōu)點,但是其應用理論,即一維彈性桿縱波理論與實踐還存在差異,可能由于檢測現(xiàn)場的疏忽導致測量結(jié)果有誤。因此,要求檢測工作人員掌握應力波與信號采集技術(shù)的相關(guān)理論知識、科學使用檢測設備,掌握影響測量結(jié)果的諸多因素,并且結(jié)合長期的工作經(jīng)驗,準確地測量。