劉明、黃凱

（貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014）

0 引言

橋梁作為城市交通的重要節(jié)點(diǎn)，在交通中發(fā)揮著重要作用。但是，隨著橋梁的長(zhǎng)期運(yùn)行，橋梁的安全性和穩(wěn)定性問(wèn)題也逐漸凸顯，其中橋梁樁基作為承載和傳遞荷載的關(guān)鍵部分，其質(zhì)量和完整性顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，如取樣檢測(cè)和靜載試驗(yàn)等，往往具有破壞性、耗時(shí)長(zhǎng)以及檢測(cè)范圍有限等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的工程建設(shè)需求。在這一背景下，非破壞性檢測(cè)技術(shù)被提出，為橋梁樁基的質(zhì)量評(píng)估和缺陷檢測(cè)提供了新的解決方案。其中，低應(yīng)變法作為一種重要的檢測(cè)技術(shù)，具有高效、精準(zhǔn)、無(wú)損等特點(diǎn)，逐漸成為橋梁樁基檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

1 低應(yīng)變法概述

低應(yīng)變法（Low Strain Integrity Testing），又稱動(dòng)態(tài)法或沖擊回波法，是一種廣泛用于橋梁、建筑物和其他結(jié)構(gòu)中的非破壞性檢測(cè)方法[2]。它主要用于評(píng)估混凝土、鋼筋混凝土等材料中的缺陷情況。低應(yīng)變法通過(guò)在樁頂施加沖擊或振動(dòng)力，分析從樁頂向下傳播的動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形，從而推斷樁基的連通性、完整性和質(zhì)量。低應(yīng)變法的原理基于應(yīng)變波在材料內(nèi)傳播的速度會(huì)受材料的彈性性質(zhì)的影響。當(dāng)樁頂受到?jīng)_擊或振動(dòng)力作用時(shí)，將在樁中產(chǎn)生應(yīng)變波，該應(yīng)變波將向下傳播并在樁底和缺陷處產(chǎn)生反射波。傳感器放置在樁頂和樁底，用于記錄應(yīng)變波的傳播時(shí)間和幅度。通過(guò)分析這些傳播時(shí)間和幅度的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出樁基中的波速，進(jìn)而推斷樁基的完整性、質(zhì)量和缺陷情況。如果樁基出現(xiàn)斷裂、空洞或蜂窩狀缺陷，應(yīng)變波將在這些位置產(chǎn)生明顯的反射，從而可以快速檢測(cè)出問(wèn)題區(qū)域；不同材料和質(zhì)量的樁基將產(chǎn)生不同的應(yīng)變波傳播速度和幅度，通過(guò)分析這些參數(shù)，可以推斷樁基的質(zhì)量情況[3]。此外，低應(yīng)變法還可以用于測(cè)量樁的長(zhǎng)度，了解樁的嵌入深度。低應(yīng)變法是一種非破壞性的方法，不會(huì)對(duì)樁基造成損害，適用于對(duì)使用中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，低應(yīng)變法的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作便捷，可以在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試，節(jié)省時(shí)間和成本。低應(yīng)變法可以應(yīng)用于各種類型的橋梁和建筑物，包括混凝土、鋼筋混凝土、鋼樁等類型，具有較廣泛的適用性[4]。

2 橋梁樁基檢測(cè)低應(yīng)變法操作流程

2.1 設(shè)備選擇

在低應(yīng)變法的檢測(cè)過(guò)程中，所涉及的設(shè)備包括動(dòng)測(cè)儀、采集儀、激勵(lì)設(shè)備、傳感器設(shè)備以及專用附件等。其中，動(dòng)測(cè)儀是整套設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，包括信號(hào)采集、機(jī)電設(shè)備以及信號(hào)采集儀等多個(gè)功能設(shè)備。動(dòng)測(cè)儀的核心功能是協(xié)調(diào)各項(xiàng)設(shè)備的協(xié)同工作，確保檢測(cè)的順利進(jìn)行。激勵(lì)設(shè)備主要采用力錘，通過(guò)對(duì)樁頂部的錘擊作用，實(shí)現(xiàn)彈性波的傳輸，從而激發(fā)樁基的應(yīng)變響應(yīng)。傳感器設(shè)備和放大器等裝置則扮演著快速信號(hào)采集的角色，傳感器的作用在于提高信號(hào)的捕捉效率和準(zhǔn)確性，而放大器則用于增強(qiáng)信號(hào)的幅度。信號(hào)采集儀負(fù)責(zé)將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、分析、濾波以及輸出等處理，為工作人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，以便于后續(xù)的分析和解讀[5]。

2.2 數(shù)據(jù)收集

在檢測(cè)過(guò)程中，需要確保傳感器與樁頂部位的充分接觸，消除可能出現(xiàn)的縫隙問(wèn)題。一種常見(jiàn)的做法是在傳感器底部涂抹適量黃油，以確保傳感器與樁頂部緊密連接。在檢測(cè)環(huán)節(jié)中，首先對(duì)樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)，為每個(gè)結(jié)構(gòu)建立專屬的數(shù)據(jù)檔案，并及時(shí)更新這些檔案。為了避免數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，務(wù)必進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，以確保每份數(shù)據(jù)都能保持完整。

2.3 處理數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)和信號(hào)后，通過(guò)專用軟件進(jìn)行詳細(xì)分析和處理。首先，對(duì)波形進(jìn)行按比例放大，沿水平和垂直方向各放大2～30 倍，以確保波形放大后不會(huì)失真。在處理過(guò)程中，數(shù)字濾波法是至關(guān)重要的步驟，它能夠剔除采集數(shù)據(jù)中的無(wú)關(guān)或次要信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷信號(hào)的準(zhǔn)確分析，以達(dá)到有效的濾波效果。在檢測(cè)中，應(yīng)用加速度計(jì)進(jìn)行積分以獲得速度信號(hào)，然而，樁體結(jié)構(gòu)阻力和傳感器的影響可能導(dǎo)致信號(hào)失真。有些位置的檢測(cè)區(qū)域受到較大阻礙，從而可能在波形中引起不準(zhǔn)確的情況。為解決這個(gè)問(wèn)題，需要按照要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)修正，以調(diào)整特定點(diǎn)位的線性數(shù)據(jù)信息，從而獲得更精確的結(jié)果。此外，為了抵消檢測(cè)受到多種干擾因素影響所產(chǎn)生的雜波，不影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用多次采樣的方法進(jìn)行處理，以獲得多個(gè)數(shù)據(jù)樣本，然后進(jìn)行疊加平均，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析[6-7]。

2.4 判斷檢測(cè)結(jié)果

2.4.1 樁身波速確定

在完成波形分析后，對(duì)于樁底的反射信號(hào)情況需要進(jìn)行詳細(xì)了解。在信號(hào)比較弱或者沒(méi)有明顯信號(hào)的情況下，存在放大指數(shù)過(guò)大的潛在問(wèn)題。為此，必要時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)尾部進(jìn)行適當(dāng)處理，以確保在同一屏幕上能夠清晰且準(zhǔn)確地觀察樁底反射情況。這一步驟的目的是保證后續(xù)的混凝土波速計(jì)算能夠基于可靠的數(shù)據(jù)展開(kāi)。在確認(rèn)樁體長(zhǎng)度和底部反射信號(hào)的清晰度之后，方可進(jìn)行混凝土波速的計(jì)算，波速計(jì)算采用公式：

式（1）中：C 表示材料中的波速（Velocity），即超聲波在材料內(nèi)傳播的速度；L 表示樁身缺陷的長(zhǎng)度（Length）；T 表示超聲波傳播時(shí)間（Time），即從超聲波發(fā)射到接收所需的時(shí)間。

2.4.2 確定樁身缺陷位置

判斷樁身缺陷需采用公式：

式（2）中：L 表示樁身缺陷的長(zhǎng)度（Length），單位：cm；T 表示超聲波傳播時(shí)間（Time），單位：μs，即從超聲波發(fā)射到接收所需的時(shí)間；X 表示超聲波傳播速度（Velocity），單位：m/s，指超聲波在材料中傳播的速度；C表示材料中缺陷的深度（Depth），單位：mm。

2.4.3 判斷樁身完整性

借鑒現(xiàn)有的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，深入分析反射波的特征，并將其質(zhì)量劃分以下四類：第一類代表樁身完整無(wú)損；第二類代表樁身存在輕微缺陷；第三類代表樁身存在明顯缺陷；第四類代表樁身存在嚴(yán)重缺陷。每一類的判定標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1。

表1 樁身完整性判斷標(biāo)準(zhǔn)

3 工程實(shí)踐

在某立交橋的工程建設(shè)中，總計(jì)安排了18 根樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行灌注樁的施工方式。在這18 根樁中，選取了9 根進(jìn)行了低應(yīng)變法的檢測(cè)，以確保其質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過(guò)應(yīng)用低應(yīng)變法技術(shù)，成功獲得了所有9 根樁基底結(jié)構(gòu)的清晰圖像和數(shù)據(jù)信息，為工程的安全和可靠性提供了有力的支持。在這項(xiàng)檢測(cè)工作中，得到詳細(xì)的檢測(cè)結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 混凝土強(qiáng)度與波速檢測(cè)結(jié)果

4 橋梁樁基低應(yīng)變檢測(cè)要點(diǎn)

4.1 做好傳感器布設(shè)與激振控制

在傳感器的安裝過(guò)程中，必須確保安裝位置與樁頂保持垂直，以確保傳感器與樁頂?shù)倪B接效果達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。為了保證連接的有效性，常常使用耦合劑、黃油等物質(zhì)進(jìn)行處理。通常情況下，激振點(diǎn)被設(shè)置在樁體結(jié)構(gòu)的中心位置，測(cè)量傳感器與樁基礎(chǔ)中心的距離為2/3 半徑。然而，在一些工程中，采用了空心樁，因此需要將激振點(diǎn)和傳感器設(shè)置在同一水平面上，即樁體結(jié)構(gòu)厚度的1/2 位置，且保持與樁體成90°的方向。在進(jìn)行瞬態(tài)激振操作之前，需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)，通過(guò)敲擊的方式確保激振力錘和錘墊的重量符合要求。同時(shí)，需要通過(guò)聯(lián)合寬脈沖進(jìn)行底部信號(hào)的檢測(cè)控制，對(duì)于樁體上部存在的缺陷信號(hào)，應(yīng)使用窄脈沖獲取。在穩(wěn)態(tài)激振作用過(guò)程中，必須按照規(guī)定的頻率進(jìn)行穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號(hào)控制，并根據(jù)樁體的長(zhǎng)度、直徑、周邊土體約束力狀態(tài)等因素進(jìn)行合理的調(diào)整[8-9]。此外，在進(jìn)行傳感器的安裝時(shí)，應(yīng)與鋼筋籠主筋保持足夠的距離，通常超過(guò)50cm 為宜，以防止干擾信號(hào)的產(chǎn)生。在現(xiàn)場(chǎng)操作中，若激振力錘被安裝在基樁頂部，應(yīng)迅速抓住落錘，以避免產(chǎn)生二次沖擊而對(duì)反射波獲取產(chǎn)生不利影響。

4.2 做好樁頭浮漿處理

浮漿在樁頂部的存在會(huì)顯著影響反射波的傳播，因此在進(jìn)行檢測(cè)之前，必須采取鑿除等處理措施及時(shí)清理樁頂?shù)母{[10]。在測(cè)點(diǎn)和激振點(diǎn)的位置，通常需要使用打磨機(jī)進(jìn)行處理，以確保表面平整度達(dá)到要求，從而使傳感器能夠迅速而準(zhǔn)確地接收混凝土表面信號(hào)，同時(shí)激振設(shè)備也能在混凝土表面上實(shí)現(xiàn)精確作用[11]。

4.3 做好突發(fā)情況的處理

在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)儀器損壞或傳感器故障等問(wèn)題，應(yīng)立即進(jìn)行設(shè)備更換，隨后重新進(jìn)行檢測(cè)操作[12-13]。儀器設(shè)備容易受到溫度、濕度、電磁振動(dòng)、沖擊、電壓波動(dòng)等因素的影響，如果這些因素導(dǎo)致檢測(cè)效果不符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)立即暫停檢測(cè)，并在消除干擾性因素后再次進(jìn)行[14]。在檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，也應(yīng)立即停止檢測(cè)，對(duì)異常數(shù)據(jù)的原因進(jìn)行分析。如果異常數(shù)據(jù)是操作失誤、設(shè)備設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻?，?yīng)在處理相關(guān)問(wèn)題后再次進(jìn)行檢測(cè)[15]。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，低應(yīng)變法作為一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，為橋梁樁基的質(zhì)量評(píng)估和缺陷檢測(cè)提供了一種高效、精準(zhǔn)的方法。文中通過(guò)對(duì)應(yīng)變波的傳播特性進(jìn)行分析，可知它能夠快速發(fā)現(xiàn)樁基的問(wèn)題區(qū)域，提前探知潛在的質(zhì)量隱患，為保障橋梁的穩(wěn)定性、安全性和可靠性提供科學(xué)依據(jù)。值得注意的是，雖然低應(yīng)變法具有很多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然需要結(jié)合具體情況，充分考慮不同材料、不同樁基類型等因素，以確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在日后進(jìn)行橋梁樁基檢測(cè)時(shí)，還要不斷對(duì)低應(yīng)變法進(jìn)行研究，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理，保證橋梁樁基檢測(cè)的質(zhì)量。