超配筋超大直徑樁基完整性綜合評價

王 振，馮忠居，吳敬武，劉 闖，孫平寬，王定梧，黃 鵬，尹相龍，熊 英

超配筋超大直徑樁基完整性綜合評價

王 振1，馮忠居1，吳敬武2，劉 闖3，孫平寬2，王定梧4，黃 鵬5，尹相龍5，熊 英2

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;2.中國公路工程咨詢有限公司，北京 100097;3.海南省交通運輸廳，海南?？?570204;4.中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京101102;5.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，湖北武漢 430012)

根據(jù)海南鋪前大橋主墩樁基礎(chǔ)的實際情況，應(yīng)用超聲波對樁徑為4．3 m、鋼筋籠徑向設(shè)置4層的樁基礎(chǔ)進(jìn)行完整性分析，并結(jié)合樁基礎(chǔ)取芯結(jié)果對樁身完整性進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明:聲測管在鋼筋籠內(nèi)側(cè)，超聲波信號未出現(xiàn)畸變，當(dāng)超聲波穿越鋼筋籠時，聲速正常，但聲幅衰減起伏變化十分明顯，且與鋼筋籠梯次布置規(guī)律具有統(tǒng)一性，取芯結(jié)果證明混凝土密實。因此，超聲波穿透鋼筋時，需采用不同方法對樁基完整性進(jìn)行綜合評價。

樁基礎(chǔ);超聲波檢測;超大直徑;超配筋

0 引言

隨著公路橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，樁基礎(chǔ)朝著深長、大直徑方向發(fā)展，因此樁基礎(chǔ)工程的檢測環(huán)節(jié)備受關(guān)注［1］。其中，超聲波檢測技術(shù)作為樁基完整性檢測的方法，具有操作簡單、設(shè)備靈活簡便、探測距離大、不破壞樁的完整性、檢測結(jié)果精確度高、定位準(zhǔn)確、較鉆芯法費用低等優(yōu)點，國內(nèi)的大型橋梁樁基完整性檢測大多采用該技術(shù)［2-6］?，F(xiàn)有樁基超聲波檢測操作規(guī)范中僅對樁基直徑大于2.0 m的聲測管進(jìn)行了籠統(tǒng)敘述，并將聲測管置于鋼筋籠內(nèi)側(cè)，未考慮鋼筋籠對于樁基超聲波檢測的影響。因此，采取合理的樁基檢測技術(shù)對于確保樁基工程的質(zhì)量具有重要意義［7］。

劉曙光結(jié)合湖北襄樊、宜城兩座特大公路橋樁基的檢測實踐，介紹了超聲脈沖法判定鉆孔灌注樁內(nèi)部缺陷性質(zhì)、大小的分析方法，以及各類缺陷樁的判別和鉆芯驗樁的比較結(jié)果。O'Neill［8］對樁基產(chǎn)生的縮頸、夾泥、離析等多種缺陷進(jìn)行分析，并對超聲波檢測在發(fā)生缺陷時的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比。馮忠居等［9］對大直徑鉆埋預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁施工工藝進(jìn)行了闡述，并對大直徑樁基礎(chǔ)的施工工藝進(jìn)行了探討。陳國棟［10］針對洛陽南外環(huán)高速公路處某橋梁的樁基礎(chǔ)，運用檢測儀器進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，并采用相應(yīng)程序，通過聲時、聲幅、聲速、波形不同判據(jù)對該樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析判斷。趙毅［11］結(jié)合孟加拉一座橋梁的樁基檢測結(jié)果對聲測管埋設(shè)在雙層鋼筋籠之間的超聲波檢測結(jié)果進(jìn)行分析，并對國內(nèi)外樁基超聲檢測評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。劉洋濤［12］介紹了混凝土超聲檢測原理及方法，并利用波形、波幅和聲時等聲學(xué)參數(shù)的變化與混凝土質(zhì)量的相關(guān)性，提出了能夠準(zhǔn)確判定混凝土灌注樁質(zhì)量缺陷性質(zhì)、位置和大小的理論方法，在工程實際應(yīng)用中得到了很好的驗證。范瑛［13］通過試驗以及工程實例進(jìn)行分析，提出聲測管管距對于超聲波波速、波幅的影響規(guī)律，并對其之間的關(guān)系進(jìn)行剖析。

本文基于海南鋪前大橋主墩超大直徑、超配筋樁基現(xiàn)場超聲波檢測過程中的實際問題，對其完整性進(jìn)行評價，布設(shè)8根聲測管，根據(jù)超聲波信號是否穿越鋼筋籠的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比，并結(jié)合試驗樁取芯試驗、回彈試驗對其進(jìn)行綜合評判。

1 超聲波檢測原理及聲測管布設(shè)要求

超聲波檢測時，發(fā)射換能器放置于充滿水的聲測管中，將發(fā)射系統(tǒng)傳送來的電信號轉(zhuǎn)換為脈沖聲波向樁身內(nèi)部輻射，當(dāng)聲波通過混凝土到達(dá)另一個聲測管時，管中另外一根探頭將信號接收并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過接收放大器放大后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)離散化并存入計算機(jī)［14］?；炷恋馁|(zhì)量和缺陷等會使穿透的超聲波信號在傳輸過程中發(fā)生折射、繞射等，使得信號的振幅、頻率、傳播時間等聲學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，根據(jù)這些聲學(xué)參數(shù)可以對樁身混凝土的完整性、膠結(jié)的優(yōu)劣、缺陷及其分布做出判斷。超聲波檢測中，聲波在混凝土中的傳播速度反映了混凝土的彈性性質(zhì)，而彈性性質(zhì)與樁基混凝土的強(qiáng)度具有相關(guān)性，因此超聲波聲速與混凝土強(qiáng)度存在相關(guān)性;超聲波聲波波幅是表征聲波穿過混凝土后能量衰減程度的指標(biāo)之一，一般情況下接收波波幅強(qiáng)弱與混凝土的黏塑性有關(guān)，接收波幅值越低，混凝土對聲波的衰減就越大［15］。聲速波幅簡明綜合判斷見表1。

表1 聲速、波幅簡明綜合判斷

根據(jù)國內(nèi)規(guī)范，聲測管的布設(shè)數(shù)量取決于樁直徑的大小:樁徑小于或等于800 mm時應(yīng)對稱布置2根聲測管;樁徑大于800 mm小于2 000 mm時，應(yīng)布置不少于3根聲測管;樁徑不小于2 000 mm時，應(yīng)布置不少于4根聲測管［16］。

2 鋪前大橋大直徑深長樁設(shè)計參數(shù)及聲測管布設(shè)

海南鋪前大橋主墩有32根直徑為4．3 m的嵌巖樁，左幅16根樁長38 m，鋼筋籠為梯次設(shè)計;右幅16根樁在樁頂以下22 m范圍內(nèi)是4層鋼筋籠，22～27 m是3層鋼筋籠，27～38 m為單層鋼筋籠，采用C35混凝土。按照初始設(shè)計埋設(shè)4根聲測管，混凝土澆注兩周后采用RSM-SY8基樁超聲波CT成像測試儀進(jìn)行測試，探頭發(fā)出的信號能量幾乎接收不到;后采用功率較大的超聲波探頭，雖然可接收到信號，但檢測信號出現(xiàn)較大的畸變，若按照此結(jié)果對鋪前大橋主墩樁基進(jìn)行評定，34#主墩樁基均屬于不合格樁。經(jīng)過分析論證，超聲波信號出現(xiàn)畸變可能有3個原因:聲測管管距過大，信號傳輸困難［17-18］;鋼筋籠過密，超聲波在穿過鋼筋籠時發(fā)生變化;混凝土在穿過鋼筋籠時，由于鋼筋的阻擋作用造成混凝土不密實。分析施工現(xiàn)場記錄發(fā)現(xiàn)，樁基礎(chǔ)澆筑時混凝土在同一截面上高差很小，說明混凝土在流動性上滿足要求，因此著重分析前2種原因。為檢測樁基鋼筋籠是否對超聲波信號造成影響，在主墩18#樁(樁長38 m、直徑4．3 m)鋼筋籠內(nèi)外對稱埋設(shè)8根聲測管，內(nèi)外相鄰兩根聲測管與樁中心呈45°夾角，如圖1所示，聲測管編號及檢測剖面如圖2所示。

圖1 聲測管布設(shè)

圖2 聲測管編號及檢測剖面

3 超聲波檢測結(jié)果分析

3．1 內(nèi)4根聲測管檢測結(jié)果

主墩18#樁基礎(chǔ)成樁2周后，使用大功率超聲波樁檢儀器對18#樁進(jìn)行超聲波檢測，內(nèi)部4根超聲波檢測結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知:內(nèi)部4根聲測管檢測時信號未穿過鋼筋籠，且該樁超聲波檢測的聲速、聲幅較均勻，未出現(xiàn)明顯畸變現(xiàn)象，聲速大于4 km·s－1，屬于正常范圍;有個別點超判，超判點處聲速正常，波幅略低，且大致位于聲測管接頭處，可能是由于聲測管接頭連接操作不規(guī)范所致。因此，單從內(nèi)4根超聲波檢測結(jié)果來看，18#樁混凝土密實，強(qiáng)度也達(dá)到設(shè)計要求的35 MPa。

圖3 內(nèi)部聲測管檢測結(jié)果

3．2 外4根聲測管檢測結(jié)果

主墩18#樁基礎(chǔ)外部4根聲測管超聲波檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 外部聲測管檢測結(jié)果

從圖4可知:該樁超聲波檢測聲速變化比較均勻，未出現(xiàn)明顯畸變現(xiàn)象，但聲幅衰減起伏變化十分明顯，大致可分為3個漸變階段:從樁底38 m到25 m為第1個階段，從25 m到20 m為第2個漸變階段，從20 m至樁頂為第3個漸變階段。該聲幅變化的3個階段恰好與樁身3層鋼筋籠布置的層次相吻合，從上到下為4層、3層、1層鋼筋籠。通過聲幅衰減變化的規(guī)律，可知鋼筋籠層次變化對超聲波檢測的聲幅存在影響，超聲波信號穿過的鋼筋籠層數(shù)越多，其聲幅越小，但鋼筋籠層數(shù)對聲速影響較小。

按照表1對外4根聲測管檢測信號進(jìn)行判定，18#樁頂至25 m位置雖然強(qiáng)度正常但表面不良或有內(nèi)部缺陷，不能滿足設(shè)計要求。

3．3 內(nèi)外交叉聲測管檢測結(jié)果分析

主墩18#樁基礎(chǔ)內(nèi)外交叉超聲波檢測結(jié)果圖5所示。

圖5 內(nèi)外聲測管檢測結(jié)果

從圖5可知:內(nèi)外聲測管呈三角形檢測時，從上至下超聲波依次進(jìn)行穿透3層鋼筋籠、空透2層鋼筋籠及不穿過鋼筋籠的檢測，其穿過鋼筋籠的聲學(xué)參數(shù)與外4根聲測管檢測結(jié)果類似。聲幅雖有衰減，但衰減幅度比外4根聲測管較小，原因是外4根聲測管穿過6層鋼筋籠，內(nèi)外聲測管僅穿過3層鋼筋籠。通過對比圖4、圖5發(fā)現(xiàn)，該樁的聲速依然變化不大，未出現(xiàn)明顯畸變現(xiàn)象。

4 試驗樁取芯及回彈試驗分析

由于超聲波穿透鋼筋籠之后信號變化較大，無法判斷信號是由于鋼筋籠密集混凝土粗骨料無法穿過還是鋼筋籠對其產(chǎn)生的影響，也無法對工程樁在鋼筋籠間或保護(hù)層進(jìn)行破壞性取芯，故采取鋼筋籠內(nèi)側(cè)取芯以及回彈試驗進(jìn)行判斷。試驗樁位于地面上，直徑為4.3 m，長3 m;鋼筋籠全長為4層，其余參數(shù)、混凝土配比、施工工藝等與工程樁一致，如圖6所示。由于不同的取芯位置、取芯方法以及不同的芯樣直徑、強(qiáng)度換算方法等對樁基的質(zhì)量評定都會有很大的影響［19］，所以取芯位置與工程樁8根聲測管位置一致，芯樣如圖7所示。

從圖6、7可知:試驗樁外表面光滑，混凝土密實，無蜂窩麻面等情況;試驗樁芯樣混凝土無蜂窩麻面等外觀質(zhì)量問題，樁身混凝土較均勻，符合規(guī)范要求。

在達(dá)到14 d之后，將試驗樁挖出并采用乙炔割除鋼護(hù)筒進(jìn)行回彈試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樁基的強(qiáng)度達(dá)到39.5 MPa，大于設(shè)計強(qiáng)度的35 MPa。

圖6 割除鋼護(hù)筒的試驗樁

圖7 試樁部分芯樣

5 結(jié)語

本文依據(jù)海南省鋪前大橋樁基超聲波檢測過程中的實際情況，對特大直徑多層鋼筋籠樁基的完整性判定進(jìn)行探討，得出結(jié)論如下。

(1)聲測管在鋼筋籠之間，超聲波信號未出現(xiàn)畸變，樁身25 m處超聲波信號聲速變化比較均勻，聲幅衰減起伏變化十分明顯，與鋼筋籠梯次布置規(guī)律具有相關(guān)性。

(2)聲測管位于2層及3層鋼筋籠之間，內(nèi)部信號清晰，聲速正常，僅聲幅出現(xiàn)衰減，經(jīng)取芯可以判斷:混凝土密實，不存在離析等缺陷。

(3)在此類樁基礎(chǔ)混凝土澆注時，應(yīng)適當(dāng)增大混凝土的流動性，防止因鋼筋籠的過密造成樁身夾泥或混凝土離析。

(4)4．3 m超大直徑樁基礎(chǔ)、4層鋼筋籠的設(shè)計遠(yuǎn)超樁基檢測規(guī)范，在檢測過程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況并綜合多種檢測手段對其進(jìn)行綜合判定，以防止單一檢測方法造成誤判。

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Comprehensive Evaluation of Integrity of Pile Foundation with Super Large Diameter and Extra Reinforcement

WANG Zhen1，F(xiàn)ENG Zhong-ju1，WU Jing-wu2，LIU Chuang3，SUN Ping-kuan2，WANG Ding-wu4，HUANG Peng5，YIN Xiang-long5，XIONG Ying2
(1．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;2．China Highway Engineering Consulting Corporation，Beijing 100097，China;3．Department of Transport of Hainan Province，Haikou 570204，Hainan，China;4．Institute of Civil Engineering Construction of CCCCFirst Highway Engineering Co．，Ltd．，Beijing 101102，China;5．No．5 Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co．，Ltd．，Wuhan 430012，Wuhan，China)

Based on the actual situation of the pile foundation of main pier of Puqian bridge in Hainan Province，the integrity analysis of the pile foundation with a diameter of 4．3 m and 4 layers of radially set reinforcement cages was conducted using ultrasonic wave．The integrity of pile shaft was also evaluated in terms of the results of core sampling．The results show that the ultrasonic signal is not distorted when the acoustic pipe is inside the reinforcement cage;the sound speed is normal when the ultrasonic waves pass through the reinforcement cage，but the fluctuation of the sound amplitude is very obvious and is in accordance with the echelon arrangement of the reinforcement cage;according to the core sample，the concrete is well compacted．Therefore，when the ultrasonic wave penetrates the reinforcing bars，the comprehensive evaluation of the integrity of pile foundation needs to be conducted in different ways．

pile foundation;ultrasonic inspection;super large diameter;extra reinforcement

U443．15

B

1000-033X(2017)10-0119-04

2017-03-07

海南省交通科技項目(HNZXY2015-045R)

馮忠居(1965-)，男，山西萬榮人，教授，博士生導(dǎo)師，從事公路巖土工程方面的教學(xué)和科研工作。

［責(zé)任編輯:杜敏浩］