低應(yīng)變法和聲波透射法檢測(cè)灌注樁樁身完整性效果分析

劉軒雄

(浙江有色地球物理技術(shù)應(yīng)用研究院,浙江 紹興 321000)

低應(yīng)變法和聲波透射法檢測(cè)灌注樁樁身完整性效果分析

劉軒雄

(浙江有色地球物理技術(shù)應(yīng)用研究院,浙江 紹興 321000)

結(jié)合2個(gè)大直徑混凝土灌注樁的工程實(shí)例,分析了聲波透射法和低應(yīng)變反射波法在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性,比較了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出應(yīng)采用多種方法相結(jié)合進(jìn)行樁身完整性判斷,以確保判定結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

低應(yīng)變法；聲波透射法；灌注樁

1 概 述

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,眾多的高樓、橋梁等基礎(chǔ)工程采用大直徑鉆孔灌注樁的地基基礎(chǔ)形式。此類樁由于是在水下鉆孔和灌注混凝土,在施工過程中經(jīng)常遇到工程地質(zhì)問題如地下水滲流、流砂層、淤泥層,引起塌孔和縮孔,以及混凝土灌注過程中出現(xiàn)停頓、拔管過快或?qū)Ч馨慰盏仍?使樁容易產(chǎn)生離析、夾泥、斷樁、疏松不密實(shí)等樁身缺陷。

為了確保工程樁的施工質(zhì)量,目前常采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),低應(yīng)變法能有效控制樁身中淺部的樁身質(zhì)量,但對(duì)深部缺陷反應(yīng)不靈敏。當(dāng)樁直徑過大或樁長過長(L/D>30)時(shí),往往最有效的方法就是采用預(yù)埋管超聲法來檢測(cè)樁身質(zhì)量。

聲波透射法檢測(cè)具有儀器輕便、抗干擾能力強(qiáng)、觀測(cè)準(zhǔn)確度高、結(jié)果直觀可靠等優(yōu)點(diǎn),還可以在樁身中上下移動(dòng)測(cè)試,詳細(xì)查明樁內(nèi)部缺陷與性質(zhì)、深度位置、范圍大小、嚴(yán)重程度等情況,因此，超聲法檢測(cè)大直徑深長樁應(yīng)該是最切實(shí)可行的方法。由于聲波透射法的靈敏度高,對(duì)聲測(cè)管附近的(小范圍的夾泥、離析)缺陷反應(yīng)較為敏感,但它對(duì)樁身上的檢測(cè)為點(diǎn)測(cè)，對(duì)樁身上輕微的開裂不能完整反映。因此，聲波透射法也有其不足之處,完全有必要將聲波透射法和低應(yīng)變法相結(jié)合來評(píng)定灌注樁的樁身完整性。

2 低應(yīng)變反射波法和聲波透射法方法原理及技術(shù)

2.1 低應(yīng)變反射波法原理[1-2]

低應(yīng)變反射波法的理論依據(jù)是彈性波理論。樁的動(dòng)力特性滿足一維波動(dòng)方程：

(1)

式(1)中c是彈性波縱波傳播速度,它是由材料常數(shù)ρ和E所決定的常值：

c2=E/ρ

(2)

嵌入土(巖)中的基樁,可視為在阻尼介質(zhì)中的一維彈性桿件,當(dāng)樁頂受一沖擊力F(t)作用時(shí),樁頂質(zhì)點(diǎn)因受迫而振動(dòng),產(chǎn)生的應(yīng)力波沿樁身向下傳播,根據(jù)彈性波動(dòng)理論,彈性波在樁體中傳播時(shí),樁身的某些缺陷會(huì)造成ρ(密度)、S(面積)、V(波速)中任意變化而引起Z(波阻抗)差異,在此波阻抗差異面將發(fā)生反射,并沿反方向傳播至樁頂。檢測(cè)過程中,在樁頂安置高靈敏度傳感器,接受樁頂質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)信息,通過分析反射波的相位、振幅及頻率等參數(shù),取得反射波的旅行時(shí)間,綜合判別樁的完整性、質(zhì)量及缺陷的部位及程度,對(duì)樁結(jié)構(gòu)完整性及質(zhì)量作出綜合評(píng)價(jià)。其時(shí)域曲線見圖1。

圖1 樁身阻抗變化時(shí)域曲線

2.2 聲波透射法原理

聲波透射法是利用頻率很高的超聲波(10～500 kHz)作為信息的載體,來對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行探測(cè)的方法。因采用的頻率高,波長短,故該方法的分辨率高,對(duì)缺陷的反應(yīng)靈敏。當(dāng)混凝土的組成材料、工藝條件、均質(zhì)性以及測(cè)試距離都固定時(shí),超聲波在其中傳播的速度及首波的幅度和接收信號(hào)的頻率等聲學(xué)參數(shù)的測(cè)量值應(yīng)該基本一致。如果混凝土中局部存在離析、夾泥、斷裂、空洞和不密實(shí)現(xiàn)象等缺陷時(shí),則在缺陷處聲阻抗率減小,波傳播速度降低,還會(huì)產(chǎn)生波的反射和繞射,與正常混凝土相比較,就出現(xiàn)聲時(shí)偏長及波幅和頻率降低等異?，F(xiàn)象。根據(jù)此類異常的大小、形態(tài),結(jié)合工程地質(zhì)條件就能綜合判斷混凝土中缺陷的性質(zhì)、位置、范圍大小及嚴(yán)重程度。其聲時(shí)波形見圖2。

圖2 聲波透射法原理及正?；蛉毕莶课徊ㄐ问疽鈭D

超聲波測(cè)試原理實(shí)質(zhì)上是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種能量轉(zhuǎn)換過程。具體說是由一聲源信號(hào)發(fā)生器(壓電材料制成的發(fā)射換能器)發(fā)射一電脈沖,激勵(lì)晶片振動(dòng),發(fā)射出超聲波在混凝土中傳播,后經(jīng)接收換能器接收,把聲能轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)發(fā)送至接收系統(tǒng),經(jīng)信號(hào)放大后在屏幕上顯示出波形圖,從圖中讀出首波幅值(dB)和初至?xí)r間(t),由已知的探測(cè)距離(L)便可計(jì)算出超聲波在混凝土中傳播的縱波速度(Vp)。Vp=L/t。

根據(jù)混凝土中波速波幅的變化情況,以及工程中樁混凝土試塊波速強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)關(guān)系(Vp-Rc)回歸公式,即可對(duì)樁基混凝土的均質(zhì)性和強(qiáng)度作出分析評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)局部低速異常和波幅降低異常就可以作為缺陷存在的標(biāo)志。

聲波透射法樁身質(zhì)量分析包括樁身完整性和缺陷的分析及樁混凝土強(qiáng)度的分析。為確定一個(gè)樁有無缺陷異常存在,提出了以下分析方法[3-4]。

1)波速判據(jù)分析,即以波速的小概率Vp-2Sv作為判斷有無缺陷異常的臨界值,其中：

平均波速

(3)

波速標(biāo)準(zhǔn)差

(4)

式中:vi(j)為第j點(diǎn)縱波速度;vm(j)為平均波速；Sx(j)為波速標(biāo)準(zhǔn)差；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

Sv的大小也是樁混凝土均質(zhì)性好壞的一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2)波幅的判據(jù)分析 波幅(衰減量)比聲速對(duì)樁身缺陷反應(yīng)更靈敏,采用接收信號(hào)能量平均值的一半作為判斷缺陷的臨界值。即

Api(j)

(5)

式中:Api(j)為衰減量平均值(dB)；Am(j)為第j點(diǎn)的衰減量(dB)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 實(shí)例1

某工地的混凝土灌注樁,樁徑為1 800 mm, 混凝土強(qiáng)度為C25,樁長為61.1 m。圖3為聲波透射法檢測(cè)結(jié)果,圖4為低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果,圖5為開挖和鉆孔取芯驗(yàn)證的結(jié)果。聲波透射法曲線顯示6個(gè)剖面相同位置均出現(xiàn)聲速、聲幅明顯低于臨界值,PSD曲線明顯突變現(xiàn)象,從曲線可以判定樁頂下5.8～7.0 m處明顯缺陷；低應(yīng)變曲線在樁頂下6.1 m左右同相起跳,從曲線上判定為6.1 m 左右輕微缺陷。

圖3 聲波透射法檢測(cè)結(jié)果一

圖4 低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果一

圖5 開挖和鉆孔取芯結(jié)果

事后從施工單位了解到該樁在澆筑過程中,由于工程器械原因,在澆筑到樁頂下6.0 m左右中斷了2 h,導(dǎo)致下部混凝土凝固,無法翻漿。

之后進(jìn)行取芯驗(yàn)證,芯樣結(jié)果為5.7～6.3 m芯樣粗骨料偏少,表面粗糙,易磨損。開挖后發(fā)現(xiàn)在5.8～6.8 m處樁身內(nèi)部有大量夾泥,樁周可見大量泥沙進(jìn)入樁身混凝土。開挖、鉆孔取芯結(jié)果與聲波透射法和低應(yīng)變相吻合。

由此例看出,對(duì)于全斷面的缺陷樁,聲波透射法能較好地反應(yīng)樁身缺陷信息,而低應(yīng)變反射波法反映的信息不能準(zhǔn)確判斷缺陷嚴(yán)重程度。

3.2 實(shí)例2

某工地的混凝土灌注樁,樁徑為1 800 mm,混凝土強(qiáng)度為C25,樁長為70.0 m。圖6為鉆孔取芯的結(jié)果，圖7為低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果，圖8為聲波透射法檢測(cè)結(jié)果。從聲波透射法檢測(cè)的數(shù)據(jù)看,在樁頂下16.8～17.4 m處,3個(gè)剖面的聲速、聲幅明顯低于臨界值,PSD曲線明顯突變,從曲線上可以判定該處明顯缺陷；低應(yīng)變曲線上無任何缺陷信息反應(yīng),根據(jù)曲線可定為樁身完整的Ⅰ類樁。

圖6 鉆孔取芯結(jié)果

圖7 低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果二

從施工單位的施工資料上了解到該樁在成孔澆筑過程中均良好。之后進(jìn)行取芯驗(yàn)證,芯樣結(jié)果顯示16.8～17.4 m處并沒有出現(xiàn)離析、夾泥或嚴(yán)重蜂窩等缺陷。由此例看出,聲波透射法在一定程度上將缺陷信息擴(kuò)大了。

圖8 聲波透射法檢測(cè)結(jié)果二

4 結(jié) 語

聲波透射法和低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁身完整性有著不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。聲波透射法不受場(chǎng)地限制,測(cè)點(diǎn)間隔設(shè)置一般為100 mm，加密為50 mm，甚至更小,在預(yù)埋聲測(cè)管長度覆蓋全樁長的前提下,缺陷判定上比其他方法更全面；低應(yīng)變反射波法檢測(cè)操作簡(jiǎn)單,檢測(cè)速度快,費(fèi)用低,無須預(yù)埋聲測(cè)管,比較普及。

兩種檢測(cè)方法也存在各自的缺點(diǎn)和局限。聲波透射法成本較高,測(cè)試存在盲區(qū),對(duì)輕微缺陷反應(yīng)過度。低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁身完整性由于受激振能量、樁身材料阻尼、樁周土的性狀等因素影響,對(duì)于超長樁存在測(cè)試盲區(qū),對(duì)樁身缺陷的位置及缺陷程度只能做出大致判斷。

故在工程實(shí)踐中要結(jié)合地質(zhì)資料、施工資料、監(jiān)理旁站記錄,并通過聲波透射法和低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)合,甚至和高應(yīng)變、鉆孔取芯等檢測(cè)方法結(jié)合,才能更加準(zhǔn)確地判定混凝土灌注樁的質(zhì)量。

[1] 陳凡,徐天平. 基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003．

[2] 羅騏先,王五平.樁基工程檢測(cè)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2010．

[3] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 106—2014建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014．

[4] 陜西省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,上海同濟(jì)大學(xué).CECS 21∶2000超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2000．

Effect Analysis on the Integrality of the Caisson Pile Fust by Testing using the Method of Low Strain and Acoustic Transmission

LIUXuanxiong

2017-02-17

劉軒雄(1984—),男,浙江蘭溪人,工程師,從事物探、樁基檢測(cè)等工作。

TU473.1+4

B

1008-3707(2017)03-0029-06