李 明,路 璐

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210017)

樁基礎(chǔ)是橋梁的主要受力構(gòu)件,承受著上部結(jié)構(gòu)傳來的全部荷載,其性能、狀態(tài)會改變橋梁的整體承載能力,影響到橋梁的運(yùn)營安全。在役橋梁的水下樁基礎(chǔ)會出現(xiàn)各種病害,首先,由于施工質(zhì)量把控不嚴(yán)等原因,水下混凝土樁基礎(chǔ)會出現(xiàn)錯臺、偏心、傾斜、孔洞、露筋等先天性病害;其次,水下樁基礎(chǔ)受水流沖刷、侵蝕及人為因素(如船撞)等影響,可能產(chǎn)生混凝土開裂、破損、淘空等病害,進(jìn)而影響橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性[1]。

在我國現(xiàn)行的橋梁檢測評定標(biāo)準(zhǔn)中,橋梁水下樁加固后施工質(zhì)量的檢測方法較少。因此有必要對在役橋梁水下樁加固后施工質(zhì)量的檢測技術(shù)進(jìn)行研究,為水下樁加固質(zhì)量驗(yàn)收提供參考依據(jù)。

1 在役橋梁水下樁無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 常用樁基檢測技術(shù)

常用樁基檢測技術(shù)如表1 所示。外觀檢測對于損傷部位、損傷程度、裂縫分布等可以做出宏觀描述,為后期的深入研究奠定基礎(chǔ)[2]。但在多數(shù)情況下,僅靠外觀檢測難以對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷程度做出判定。出于安全和成本的考慮,在受損橋梁檢測中也不能貿(mào)然使用荷載試驗(yàn)類方法[3]。一些無損檢測方法[4]難以提供關(guān)鍵性數(shù)據(jù),如回彈方法僅提供混凝土表面強(qiáng)度的分布信息,無法檢測樁體內(nèi)部的損傷[5];地質(zhì)雷達(dá)可以用于樁基混凝土密實(shí)性探測,對內(nèi)部空洞響應(yīng)敏感,但是受鋼筋遮蔽影響,也無法反映強(qiáng)度變化及細(xì)微開裂[6]。在役橋梁的水下樁缺陷檢測是一個工程難題,樁基檢測中最常使用的聲速管檢測(超聲透射法)也無法用于水下樁[7]。小應(yīng)變類測樁方法僅適用存在自由端的樁基,對存在上部結(jié)構(gòu)的墩柱不適用[8]。旁孔法可用于存在上部結(jié)構(gòu)的在役橋梁樁基,但需要在樁旁鉆孔,難以用于水下樁基檢測[9]。國內(nèi)外針對既有樁基檢測的研究思路,有一部分集中在基于原有樁基檢測技術(shù),改進(jìn)觀測方案和數(shù)據(jù)處理方法,如樁側(cè)激振法[10]、雙速度法[11]以及基于側(cè)壁R 波波速的檢測技術(shù)[12]等。

表1 常用樁基檢測技術(shù)

1.2 橋梁水下樁檢測技術(shù)

國內(nèi)外橋梁水下樁的無損檢測技術(shù)[13]如表2 所示。

2 成橋樁檢測技術(shù)

樁聲波成像法是基于聲波散射偏移理論,專為具有上部結(jié)構(gòu)(如蓋梁、承臺、建筑物等)的樁基檢測研發(fā)的成橋樁檢測技術(shù)方法。檀軍鋒等[14]通過理論分析和數(shù)值模擬手段對PST 技術(shù)的原理進(jìn)行闡述,并開展樁基的樁長檢測試驗(yàn),與旁孔透射波法的計算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。PST 技術(shù)已多次在實(shí)際樁基工程中得到運(yùn)用,如浙江寧波某橋35 根樁的檢測中,查出6 處樁基水下部位存在損傷;福建某碼頭被船撞擊后受損,對該碼頭樁基進(jìn)行檢測,成功排查出2 根樁基的4 處破損。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討PST 技術(shù)用于在役樁柱式橋梁水下樁加固施工質(zhì)量評價的可能性,通過工程實(shí)例,探討對于樁基完整性評價的效果,歸納總結(jié)PST 反演圖像中對缺陷等的判定方法、判斷原則與圖像特征。

2.1 PST 基本原理

PST 基本原理示意如圖1 所示。

圖1 PST 基本原理示意

對于在役橋梁樁基而言,在其樁側(cè)激發(fā)彈性波,彈性波在具有上部結(jié)構(gòu)的樁基中進(jìn)行傳播,樁基內(nèi)存在多個彈性波阻抗界面,會形成直達(dá)波、多組反射波與透射波,并交匯在一起,構(gòu)成在空間內(nèi)疊加的上行波場和下行波場。采用PST 技術(shù),在樁側(cè)布置觀測系統(tǒng)進(jìn)行彈性波激發(fā)與接收,利用多道數(shù)據(jù)中波場內(nèi)的上行波組與下行波組的彈性波同向軸斜率的差異,通過頻率-波數(shù)域轉(zhuǎn)換進(jìn)行波場分離,并采用偏移成像技術(shù)定位反射界面。該技術(shù)可用于評價橋梁水下樁加固后的施工質(zhì)量。

2.2 成橋樁檢測技術(shù)數(shù)值模擬

采用Tesseral 2-D 全波場模擬軟件,模型為具有上部蓋梁的樁基,模型樁長設(shè)為29 m。地面設(shè)置為坐標(biāo)零點(diǎn),樁底位置為-20 m;缺陷位置為-9 m,缺陷厚1.5 m;9 m 處存在蓋梁,蓋梁厚3 m;炮點(diǎn)位置為8 m,偏移距為0.5 m;14 道檢波器從上至下排列,道間距為0.5 m;混凝土波速設(shè)為4 km/s,缺陷處波速為3 km/s。橋樁模型示意如圖2 所示,道集模擬記錄如圖3 所示。

圖2 橋樁模型示意

根據(jù)道集模擬記錄可清晰地分辨出直達(dá)波及其缺陷、樁底的反射波同相軸。通過讀取直達(dá)波走時,計算得到混凝土波速為4 km/s;通過讀取缺陷、樁底的反射波走時及相速度,計算得出樁長為29 m、缺陷位置為-9 m,與模型一致。

3 現(xiàn)場檢測的技術(shù)要求

3.1 儀器設(shè)備要求

成橋樁檢測系統(tǒng)主要包含成橋樁檢測儀和接收信號用的檢波器拖纜,成橋樁檢測系統(tǒng)組成如圖4 所示。

圖4 成橋樁檢測系統(tǒng)組成

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集要求

3.2.1 現(xiàn)場布設(shè)的要求

成橋樁檢測時存在車輛通過等外界干擾,為便于解析結(jié)果并排除干擾,同一根樁應(yīng)設(shè)置多組排列形式,采取多排列對比分析。由于系梁的存在導(dǎo)致波場復(fù)雜[15],應(yīng)避開系梁布設(shè)排列,每根樁設(shè)置2～4 組排列,樁基排列設(shè)計(俯視圖)如圖5 所示,俯視圖中數(shù)字為排列序號。具有系梁結(jié)構(gòu)的樁基中,兩邊樁基布設(shè)3 組排列,中間樁基布設(shè)2 組排列。而單樁則可以布設(shè)4 組排列,必要時可加密或有針對性地進(jìn)行布設(shè)排列。

圖5 樁基排列設(shè)計(俯視圖)

3.2.2 震源激發(fā)的要求

基于降低波場分離難度的目的,須保證激發(fā)點(diǎn)位于檢波器上方,從而使入射波位于下行波場,反射波位于上行波場,可采用錘擊震源進(jìn)行激振,激發(fā)點(diǎn)(震源)設(shè)置于檢波器串上端,多次激發(fā)采集以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,必要時可進(jìn)行信號疊加。

3.2.3 信號采集的要求

采用多道檢波器串以記錄樁體中的彈性波數(shù)據(jù),從而達(dá)到分離波場、獲取相速度的目的。數(shù)據(jù)中道數(shù)越多越容易追蹤同相軸,從而便于分離上下行波場。為防止數(shù)據(jù)處理時出現(xiàn)假頻,采用16 道檢波器串固定在樁身側(cè)面進(jìn)行信號接收,并使用隔音棉包裹以減少聲波干擾。

4 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理流程如圖6 所示,各流程內(nèi)容如下。參數(shù)設(shè)置:將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程文件,并根據(jù)現(xiàn)場記錄編輯準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)參數(shù)。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程

預(yù)處理:對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,確定原始波場,包含帶通濾波或帶陷濾波、切除干擾波、直達(dá)波速讀取、時間校正等操作。

波場分離:將原始波場區(qū)分為上行波場(反射波場)和下行波場,并進(jìn)行方向?yàn)V波和時間增益處理。

偏移成像:根據(jù)上行波場和下行波場進(jìn)行合成孔徑偏移成像,將波形轉(zhuǎn)化為更直觀的圖像成果。

4.2 波場分離及方向?yàn)V波技術(shù)

波場分離及方向?yàn)V波技術(shù)是數(shù)據(jù)處理的核心。為避免結(jié)果中出現(xiàn)假象,須先采取波場分離功能將不同方向的波分開,并采取方向?yàn)V波技術(shù)濾除干擾波、突出反射波,再進(jìn)行偏移成像計算。利用二維FFT(fast Fourier transform,快速傅里葉變換),計算公式如式(1)和式(2)所示,將時間-偏移距(TX)域信號轉(zhuǎn)變成頻率-波數(shù)(F-K)域信號。根據(jù)上下行波場的視速度相反原則,實(shí)現(xiàn)波場分離,原始波場如圖7 所示,上行波場如圖8 所示,下行波場如圖9 所示。根據(jù)混凝土波速區(qū)間,設(shè)置濾波參數(shù),實(shí)現(xiàn)方向?yàn)V波,頻率-波數(shù)(F-K)域?yàn)V波示意如圖10 所示。

圖7 原始波場

圖8 上行波場

圖9 下行波場

圖10 頻率-波數(shù)(F-K)域?yàn)V波示意

式中,F為傅里葉變換;ω為頻率;k為波數(shù);f為函數(shù);t為時間;x為位置坐標(biāo)。

4.3 合成孔徑偏移成像

合成孔徑偏移成像公式[16]如式(3)所示。

式中,α為散射強(qiáng)度;r為距離;M為記錄中的道數(shù);xj為j點(diǎn)的位置坐標(biāo);x0為發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo);va為平均波速。

采用合成孔徑成像技術(shù)時,可利用波場分離及方向?yàn)V波后的波場數(shù)據(jù)與波速掃描給出的混凝土速度,定位波阻抗界面,并以圖像的形式直觀展現(xiàn)。

5 PST 檢測結(jié)果的工程解釋要點(diǎn)

5.1 PST 檢測成果圖像

典型PST 檢測成果如圖11 所示。圖像中縱坐標(biāo)是深度(基于不同的零點(diǎn)設(shè)置時會產(chǎn)生相應(yīng)變化),以不同條紋表征反射界面的位置及反射能量的強(qiáng)弱?；谄瞥晒麍D及相關(guān)資料(如設(shè)計圖紙、地勘資料等),工程解釋的重點(diǎn)是對反射界面進(jìn)行判讀,分辨樁底、系梁、缺陷、地層等反射界面,最終對樁基質(zhì)量進(jìn)行評價。基于大量在役橋梁的樁基檢測試驗(yàn)研究,并根據(jù)反射界面在偏移圖像中的特點(diǎn),總結(jié)出相關(guān)工程解釋要點(diǎn)。

圖11 典型PST 檢測成果

5.2 樁基結(jié)構(gòu)反射的判定

樁底的判定是偏移圖像解釋的基礎(chǔ),樁長計算是成橋樁檢測中最重要的內(nèi)容之一。樁底界面的判定基于3 個特征:樁底反射界面會清晰顯示在偏移圖像中,條紋較多,能量較強(qiáng);對比不同測線的偏移圖像,樁底反射界面的深度應(yīng)近似;解釋判定不應(yīng)脫離工程實(shí)際,應(yīng)參考設(shè)計及施工資料。

系梁反射界面的判定基于4 個特征:系梁反射界面的能量比較強(qiáng),這是由于系梁結(jié)構(gòu)距觀測系統(tǒng)較近所致;對比不同測線的偏移圖像,系梁反射界面的位置較接近;同一系梁相關(guān)樁的位置應(yīng)較接近;參考設(shè)計及施工資料,系梁反射界面深度接近資料記錄位置。

5.3 缺陷反射的判定

缺陷(包含前期施工缺陷及后期樁基受各種因素影響導(dǎo)致的損傷)是工程解釋的重點(diǎn)與難點(diǎn)。缺陷具有局部特性,發(fā)育的形狀、位置和范圍存在差異,可針對某個排列進(jìn)行解釋。缺陷的判定基于2 個特征:與樁底反射相比,缺陷反射界面的能量較強(qiáng);同一根樁的相鄰測線在同一位置有相同反射界面。典型缺陷反射如圖12 所示。

5.4 地層界面反射的判定

某些剛度變化較大的地層界面也會體現(xiàn)在偏移圖像中,這是由于樁基與地層的相互作用導(dǎo)致接觸處的樁體波阻抗發(fā)生變化。地層反射界面的判定基于2 個特征:地層反射界面具有區(qū)域相關(guān)性,相鄰幾根樁在相同的埋深上都存在反射界面,且反射強(qiáng)度接近;參考地勘資料,這是解釋地層反射的重要依據(jù)。由圖12 可以看出,近似在同一深度范圍內(nèi)都有反射界面出現(xiàn),參考地勘資料,推測此為從土層進(jìn)入巖層的反射。

6 現(xiàn)場試驗(yàn)

6.1 在役橋梁水下樁病害情況

在某橋的河道降水清淤過程中,發(fā)現(xiàn)水下部位樁基出現(xiàn)較為嚴(yán)重的混凝土缺損和縮徑病害,在役橋梁水下樁病害現(xiàn)場情況展示如圖13 所示。

圖13 在役橋梁水下樁病害現(xiàn)場情況展示

6.2 在役橋梁水下樁加固方案

該橋樁基的混凝土缺損嚴(yán)重、縮徑明顯,樁基主筋已完全外露,存在極大的安全隱患,因此采用樁基外包混凝土的方式處理。具體通過系梁底部豎向植筋的方式設(shè)置樁基豎向鋼筋,環(huán)向設(shè)置24 根豎向鋼筋,對樁基進(jìn)行植筋,植筋豎向間距為15 cm,水平向每層植入12 根,呈梅花狀布置。布置環(huán)向箍筋,豎向間距為15 cm。設(shè)置壁厚10 mm鋼護(hù)筒,澆注20 cm 厚C30 混凝土進(jìn)行樁基外包加固。

6.3 橋梁水下樁加固后施工質(zhì)量檢測

采用成橋樁檢測技術(shù)對該橋進(jìn)行檢測,檢測時按照所述方式在柱身側(cè)壁布置測線。PST 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場如圖14 所示,偏移成像結(jié)果如圖15 所示。

圖14 PST 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場

圖15 偏移圖像成果

圖像零點(diǎn)位置為系梁上界面,檢測結(jié)果為:3 條測線在0 m 處均有明顯反射,對比現(xiàn)場資料后判定為系梁反射;3 條測線在-5 m 處均有明顯反射,對比現(xiàn)場資料后判定為加固區(qū)下緣反射或水底反射;3 條測線在-22.5 m 處有反射,對比現(xiàn)場資料后判定為地層反射;樁底反射明顯,樁長為28 m;加固區(qū)域反射不明顯,說明加固質(zhì)量良好。綜上所述,PST檢測方案對橋梁水下樁加固后施工質(zhì)量的檢測具有高度可行性,豐富了在役橋梁樁基的無損檢測手段。

6.4 某缺陷樁PST 技術(shù)與CT 技術(shù)現(xiàn)場結(jié)果對比

PST 現(xiàn)場檢測遵循所述標(biāo)準(zhǔn),于單樁4 個面布置測線,缺陷樁基PST 檢測結(jié)果如圖16 所示。

聲波CT(computed tomography,計算機(jī)層析成像)技術(shù)檢測區(qū)域?yàn)榻孛娌贾?于PST 檢測認(rèn)定缺陷處,緊貼樁基表面布置32 道檢波器,完成自激自收觀測,缺陷樁基缺陷處聲波CT 檢測結(jié)果如圖17 所示。

圖17 缺陷樁基缺陷處聲波CT 檢測結(jié)果

由圖17 可知,左側(cè)存在低速區(qū)域,為松散混凝土缺陷,且通過計算得出平均波速為3 260.40 m/s,離散度為10.46%,離散度偏大,混凝土不均勻,存在離析現(xiàn)象。PST 技術(shù)與聲波CT 技術(shù)對樁基缺陷的認(rèn)定基本一致。為進(jìn)一步對比,在同一根樁基PST 技術(shù)認(rèn)定完整處也同步開展聲波CT 檢測,缺陷樁基完整處聲波CT 檢測結(jié)果如圖18 所示。通過計算得出平均波速為3 702.08 m/s,波速較大,且波速云圖中無低速區(qū)域,離散度為5.21%,混凝土較均勻。聲波CT 檢測結(jié)果認(rèn)定該處無缺陷,與PST檢測結(jié)果一致。

圖18 缺陷樁基完整處聲波CT 檢測結(jié)果

7 結(jié)語

通過數(shù)值模擬以及實(shí)際工程應(yīng)用,探討一種無損檢測的新技術(shù)——成橋樁檢測技術(shù),明確現(xiàn)場檢測的技術(shù)要求,提出數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵,總結(jié)水下樁檢測結(jié)果的工程規(guī)律,最終驗(yàn)證了采用成橋樁檢測技術(shù)檢測并評價水下樁加固質(zhì)量的可行性。