沈 立 森

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河北 石家莊 050081)

樁基礎(chǔ)是目前建筑施工中最常用的基礎(chǔ)形式之一.其中，混凝土灌注樁在工程中的應(yīng)用最為廣泛，尤其是直徑超過800 mm的大直徑樁幾乎全部為混凝土灌注樁.近年來，我國平均每年用樁量在300萬根以上[1].樁基礎(chǔ)施工受工程地質(zhì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式、施工技術(shù)水平等多方面因素的影響，具有復(fù)雜性和隱蔽性，一旦出現(xiàn)縮徑、沉渣過厚、斷樁、混凝土不密實(shí)等問題，將難以進(jìn)行修復(fù)和處理，因此，樁基的完整性檢測工作是確保工程質(zhì)量安全和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵.

聲透法，也稱聲波透射法，是目前進(jìn)行樁基完整性檢測的重要手段之一，是一種典型的超聲波無損檢測方法，具有檢測速度快，操作簡便，準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，其主要目的是通過缺陷類型、位置及范圍，來劃定樁基的完整性類別，以判斷豎向荷載能否沿樁身進(jìn)行有效傳遞[2].國內(nèi)外學(xué)者不斷對聲波透射法進(jìn)行深入研究.1949年，Leslide和Chessman首次將超聲波檢測法運(yùn)用到混凝土結(jié)構(gòu)中，引起了工程界的極大關(guān)注[3]；1970年，法國房屋建筑和公共工程實(shí)驗(yàn)研究中心開始將聲波透射法應(yīng)用于樁基完整性檢測方面[4]；1984年，聲波透射法首次成功運(yùn)用于我國鄭州黃河大橋的鉆孔灌注樁完整性檢測中，并取得了良好效果，次年開始在全國逐步推廣[2]；文獻(xiàn)[5]以巖溶區(qū)基樁質(zhì)量檢測實(shí)踐為背景，深入對比了低應(yīng)變法和聲波透射法的應(yīng)用情況；文獻(xiàn)[6]通過聲透法在蒙華鐵路基樁檢測中的應(yīng)用實(shí)例，分析了聲波透射法的幾種缺陷，采用低應(yīng)變法和鉆芯法輔助驗(yàn)證了聲波透射法的可靠性.本文結(jié)合邢清干渠調(diào)壓塔工程實(shí)際，采用聲透法對調(diào)壓塔樁身的完整性進(jìn)行檢測.

1 工程概況和聲透法的檢測原理

1.1 工程概況

南水北調(diào)邢清干渠作為我國的重大民生項(xiàng)目，具有跨域范圍廣，受眾人數(shù)多，供水任務(wù)重等特點(diǎn)，其工程質(zhì)量直接影響著人們的生活用水安全，承擔(dān)著邢臺市至清河縣沿線11個縣市、13個供水目標(biāo)的輸水任務(wù)，全長共計(jì)168 km.調(diào)壓塔位于邢清干渠第八標(biāo)段，高30 m，位于廣宗縣前棗科村東南約2 km處，在輸水線路中起著降低下游管壓，削弱水流沖擊，保護(hù)管線安全的樞紐作用，是邢清干渠沿線上至關(guān)重要的水工建筑物.調(diào)壓井下部的樁基承臺截面尺寸大，鋼筋密度高，設(shè)計(jì)要求嚴(yán)，需通過49根樁徑為1000 mm、樁長為45 m的大直徑深長鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)支撐，其布樁形式為正方形，樁間距為3.0 m，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，樁基平面布置圖見圖1.

圖1 樁基平面布置圖

1.2 聲透法的檢測原理

聲透法的檢測原理是，將換能器通過預(yù)埋鋼管插入樁體內(nèi)部，利用超聲波信號對樁內(nèi)的各個剖面進(jìn)行逐點(diǎn)或逐段檢測，通過收集波形數(shù)據(jù)，結(jié)合建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算樁身混凝土的聲速、波幅、PSD值(聲時—深度曲線上相鄰兩點(diǎn)連線的斜率與聲時差的乘積)等來判定樁的完整性類別.檢測原理示意圖見圖2.

圖2 聲透法檢測原理示意圖

2 樁身完整性質(zhì)量判據(jù)

常用的樁身完整性質(zhì)量判據(jù)有3種，分別是聲速值、波幅和PSD值.

2.1 聲速值判據(jù)

在換能器拉升過程中，儀器會收集一系列的聲速值.聲速值越大，混凝土強(qiáng)度越高.根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可知，混凝土強(qiáng)度變化服從正態(tài)分布規(guī)律，從相關(guān)性角度考慮，聲速值也應(yīng)該服從正態(tài)分布規(guī)律，因此，通過聲速值是否異常來判斷混凝土強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)是可行的.聲速值判別方法的關(guān)鍵在于聲速異常判斷臨界值的確定，共分8個步驟.

第一步，選定1個檢測剖面，將各測點(diǎn)的聲速值按從大到小進(jìn)行排序，構(gòu)成聲速數(shù)據(jù)列.

v1≥v2≥…≥vn-1≥vn

(1)

第二步，逐一剔除偏高和偏低的聲速值，將剩余的數(shù)據(jù)列確定為信任區(qū)間[vi，vj].

第三步，計(jì)算信任區(qū)間的平均聲速值vm、信任區(qū)間內(nèi)各測點(diǎn)的聲速值vk、標(biāo)準(zhǔn)差sx和變異系數(shù)cv.

(2)

(3)

(4)

第四步，計(jì)算聲速異常小值判斷值v01和異常大值判斷值v02.

v01=vm-λsx

(5)

v02=vm+λsx

(6)

公式(5)和(6)中，λ為與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)個數(shù)對應(yīng)的系數(shù).

第五步，同時判斷vj≥v01和vi≤v02是否成立.若vj≥v01不成立，則將j減1；若vj≤v02不成立，則將i加1，返回第二步，重新確定新的信任區(qū)間.當(dāng)vj≥v01和vi≤v02同時成立時，繼續(xù)下一步(第六步).

第六步，確定聲速異常判斷概率統(tǒng)計(jì)值v0.

(7)

第七步，確定聲速異常判斷臨界值vc.

(8)

公式(8)中，vL為樁身混凝土聲速低限值；vp為同條件養(yǎng)護(hù)下的混凝土試件聲速平均值.

聲速異常判斷臨界值確定后，即可進(jìn)行聲速異常判定. 當(dāng)vk≤vc時，聲速值異常；當(dāng)vk>vc時，聲速值正常.聲速值判別流程圖見圖3.

圖3 聲速值判別流程圖

聲速值判別采用雙邊剔除法，綜合考慮了概率統(tǒng)計(jì)和混凝土聲速的正常取值范圍，使得聲速異常判斷臨界值的確定更加合理.

2.2 波幅判據(jù)

波幅衰減值受樁身混凝土不均勻性、聲波傳播路徑、點(diǎn)源距離等多種因素的影響，對大直徑混凝土灌注樁而言，聲測管間距越大，波幅的分散性越明顯；同時還受儀器、傳感器靈敏度和發(fā)射能量的影響.因此，波幅判據(jù)采用單剖面判據(jù)，選擇當(dāng)信號首波幅衰減值等于對應(yīng)檢測剖面所有信號首波幅衰減平均值的一半時的波幅分貝數(shù)作為臨界值，異常波幅判定公式為：

Ap(j)

(9)

公式(9)中，Ap(j)為第j檢測剖面的波幅值，單位為dB；Am(j)為第j檢測剖面波幅平均值，單位為dB.

2.3 PSD值判據(jù)

當(dāng)PSD值發(fā)生突變時，宜結(jié)合波幅變化情況進(jìn)行異常聲測線判定.同時，經(jīng)聲時差加權(quán)后的PSD判據(jù)圖更能突出樁身存在缺陷時的聲測線，并在一定程度上減小聲測鋼管不平行或混凝土不均勻等因素對數(shù)據(jù)的影響.PSD值的計(jì)算公式為：

(10)

公式(10)中，PSD(i)為第i聲測線聲時—深度曲線上相鄰兩點(diǎn)連線的斜率與聲時差的乘積，單位μs2/m；ti為檢測剖面第i聲測線聲時，單位為μs；ti-1為檢測剖面第i-1聲測線聲時，單位為μs；zi為檢測剖面第i聲測線深度，單位為m；zi-1為檢測剖面第i-1聲測線深度，單位為m.

3 樁身完整性檢測

3.1 檢測條件

根據(jù)規(guī)范要求，聲透法檢測樁身完整性需要具備以下條件：

(1)受檢樁的混凝土強(qiáng)度值不應(yīng)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且同時不低于15 MPa[7].經(jīng)計(jì)算，樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到了17.5 MPa.

(2)樁身混凝土澆筑前，應(yīng)事先埋設(shè)聲測鋼管.聲測鋼管應(yīng)沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)呈對稱布置，并編號.當(dāng)樁徑D滿足800 mm

圖4 聲測鋼管布置示意圖

(3)采用率定法確定儀器的系統(tǒng)延遲時間t0，經(jīng)率定，t0=0.

(4)計(jì)算聲測鋼管及耦合水層聲時修正值t′，經(jīng)計(jì)算，t′=12.9 μs.

(5)在樁頂實(shí)測對應(yīng)檢測剖面聲測鋼管的外壁間凈距離l′.

(6)檢測前，將各聲測鋼管內(nèi)注滿清水，并檢查管內(nèi)是否暢通，以保證換能器正常升降.

3.2 檢測數(shù)量與方法

因南水北調(diào)邢清干渠工程的重要性等級較高，故一旦發(fā)生事故，后果很嚴(yán)重.為客觀、科學(xué)地評價工程樁的施工質(zhì)量，對樁身完整性進(jìn)行全檢，即檢測數(shù)量為49根.

3.3 檢測結(jié)果分析與評價

為詳細(xì)闡述樁身完整性檢測結(jié)果的分析過程和評價方法，本文以18#號樁為例，利用跨孔超聲儀對其進(jìn)行檢測.檢測前應(yīng)依據(jù)規(guī)范合理地設(shè)定儀器參數(shù)，見表1.

表1 跨孔超聲儀參數(shù)設(shè)定值

檢測后，依據(jù)波形數(shù)據(jù)，對該樁各檢測剖面的聲速、波幅、PSD值等聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析和評價.

3.3.1 聲速參數(shù)分析

依據(jù)聲速判別流程，分析18#樁的檢測波形數(shù)據(jù)，確定了3個檢測剖面的聲速參數(shù)，見表2.

表2 18#樁各檢測剖面的聲速參數(shù)

由表2可以看出，18#樁各檢測剖面的聲速異常判斷臨界值大致分布在3.8～4.1 km/s之間，經(jīng)計(jì)算，其算術(shù)平均值為3.956 km/s；極差為0.282 km/s，約為算術(shù)平均值的7.1%.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)極差不超過算術(shù)平均值的30%時，可認(rèn)為偏離范圍相對合理，因此，該樁的聲速判斷臨界值可取算術(shù)平均值3.956 km/s.

將各檢測剖面的聲速值與異常判斷臨界值進(jìn)行對比，并繪制該樁的聲速—深度曲線，見圖5.

圖5 18#樁的聲速—深度曲線

通過分析發(fā)現(xiàn)，各檢測點(diǎn)的混凝土聲速均高于聲速異常判斷臨界值，由此可知，聲速參數(shù)無異常.

3.3.2 波幅參數(shù)分析

以18#樁的檢測波形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)波幅判據(jù)計(jì)算方法，分析并確定3個檢測剖面的波幅參數(shù)，見表3.

表3 18#樁各檢測剖面波幅參數(shù)

由表3可以看出，18#樁各檢測剖面的波幅異常判斷臨界值在117 dB左右.由于波幅衰減值的影響因素較多，且不同剖面間的波幅不具備可比性，因此，波幅采用單剖面判據(jù)分別進(jìn)行判斷.將各檢測剖面的波幅與對應(yīng)的異常判斷臨界值進(jìn)行對比，繪制出該樁的波幅—深度曲線，見圖6.

由圖6可知，AB檢測剖面、BC檢測剖面的波幅值變化均勻，且均高于對應(yīng)的波幅異常判斷臨界值；CA檢測剖面中，距樁頂0.6 m深度和距樁底0.2 m范圍內(nèi)的波幅值低于波幅異常判斷臨界值，其原因在于在該范圍內(nèi)CA剖面處的樁身混凝土不均勻，且樁底有部分沉渣，從而造成樁底波幅形狀畸變.由此可知，在樁頂附近，波幅參數(shù)存在輕微異常，但異常聲測線在縱向范圍內(nèi)并不連續(xù).

圖6 18#樁的波幅-深度曲線

3.3.3PSD值分析

當(dāng)聲測線處于樁身缺陷邊緣時，聲時將發(fā)生突變，因此，可通過PSD值間接反映聲時的變化情況，從而判斷混凝土是否存在缺陷.仍以18#樁的檢測波形為例繪制3個檢測剖面的PSD曲線圖，見圖7.

圖7 18#樁的PSD曲線

由圖7可知，在距樁頂1.0 m處，AB檢測剖面的PSD值突變明顯，約720 μs2/m，其原因可能在于粗骨料受重力作用下沉，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，聲時變慢.同時，在距樁底12 m范圍內(nèi)，3個檢測剖面的PSD值均有一定程度的突變，約為200 μs2/m，說明該范圍內(nèi)混凝土不密實(shí).通過PSD曲線驗(yàn)證，在樁頂附近也同樣存在輕微缺陷，與波幅特征一致.

3.3.4 樁身完整性評價

樁身完整性類別應(yīng)結(jié)合樁身缺陷的分布范圍、空間尺寸、波形畸變程度等因素綜合進(jìn)行評價.從對18#樁3個檢測剖面的聲速、波幅、PSD值等參數(shù)的分析中可以得出，該樁為Ⅰ類樁.

依據(jù)上述分析方法，對其余樁基的樁身完整性進(jìn)行分析與評價，發(fā)現(xiàn)10#樁、21#樁、46#樁的樁身混凝土聲速低于對應(yīng)樁基的聲速異常判斷臨界值，7#樁、41#樁的波幅值低于對應(yīng)樁基的波幅異常判斷臨界值，存在輕微異常，比照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)[7]可知，這5個樁為Ⅱ類樁.

各樁的樁身完整性評價匯總結(jié)果見表4.

表4 樁身完整性評價匯總表

4 結(jié)論

(1)通過選取代表性工程樁檢測數(shù)據(jù)，計(jì)算了各檢測剖面的聲速參數(shù)、波幅參數(shù)和PSD值，發(fā)現(xiàn)聲速參數(shù)無異常；波幅參數(shù)輕微異常，但縱向不連續(xù)；PSD值存在輕微異常，與波幅特征一致.

(2)依據(jù)代表性工程樁的完整性判別方法，評價了其余工程樁的完整性情況，得出工程共有Ⅰ類樁44根、Ⅱ類樁5根，能滿足設(shè)計(jì)要求，為上部結(jié)構(gòu)施工提供了堅(jiān)實(shí)的保障.