應(yīng)力反射波法在橋梁樁基檢測(cè)中的常見(jiàn)問(wèn)題

目前，普遍使用的樁基礎(chǔ)完整性測(cè)量方法為反射波（PIT）檢測(cè)，該測(cè)量方法的速度較快、成本較低，同時(shí)有較高適用性，但在實(shí)際工程測(cè)量中卻經(jīng)常出現(xiàn)偏差、漏判等問(wèn)題，導(dǎo)致技術(shù)人員對(duì)PIT檢測(cè)方法的有效性產(chǎn)生了質(zhì)疑。本文結(jié)合作者多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要研究應(yīng)力反射波法在橋梁樁基檢測(cè)中的常見(jiàn)問(wèn)題。

反射波法的問(wèn)題分析

PTI測(cè)量技術(shù)就是應(yīng)用反射波法，用手錘在樁頭上施加一定的沖擊力，在樁頭產(chǎn)生向下傳播的應(yīng)力，產(chǎn)生反射信號(hào)，之后利用速度或者加速度傳感器接受反射信號(hào)。再對(duì)反射波作出曲線分析，判斷樁身是否完整。反射波的實(shí)現(xiàn)是建立在一維彈性桿縱波理論的基礎(chǔ)上，將樁身視為一維勻質(zhì)彈性體構(gòu)件，當(dāng)樁體受到能量較小的激振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變，彈性應(yīng)變以應(yīng)力波的形式向樁身下方傳遞，應(yīng)力波傳遞的規(guī)律遵循一維波動(dòng)方程，從而根據(jù)一維波動(dòng)方程得到反射波的傳遞規(guī)律。

通過(guò)一維桿縱波理論測(cè)量樁基礎(chǔ)完整性時(shí)，要求激振脈波的波長(zhǎng)與被檢測(cè)的樁基礎(chǔ)的半徑比值要大于10，否則測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)。另外要求激振脈沖的波長(zhǎng)與樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度之間的比值要小，否則應(yīng)力波在樁基礎(chǔ)中的傳播就類(lèi)似于剛體，無(wú)法表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，對(duì)樁基礎(chǔ)完整性的判斷產(chǎn)生影響。樁基礎(chǔ)的橫向尺寸、縱向尺寸與脈沖波之間的關(guān)系是相反的，對(duì)于直徑較大的樁基礎(chǔ)淺部檢測(cè)就會(huì)表現(xiàn)出明顯的缺陷，導(dǎo)致了應(yīng)力波檢測(cè)中尺寸效應(yīng)問(wèn)題。另外，應(yīng)力波反射檢測(cè)法會(huì)由于樁身的缺陷出現(xiàn)過(guò)渡性變化，或者當(dāng)樁身存在缺陷的方向是橫向或者縱向時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信息無(wú)法通過(guò)波動(dòng)曲線直觀表現(xiàn)。

樁基常見(jiàn)問(wèn)題分析

樁基常見(jiàn)問(wèn)題包括縮頸、離析、擴(kuò)徑、斷樁等?？s頸的主要特征是波速基本正常，在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)同向反射波；離析的主要特征是波速低于平均波速，且在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)同向反射波；擴(kuò)徑的主要特征是波速基本正常，在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)反向反射波；斷樁的主要特征是波速偏大、非常大，且在首波與樁底反射波之間出現(xiàn)同向反射波。

檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題分析

樁頭處理

在通過(guò)低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁基的時(shí)候，要求傳感器及敲擊點(diǎn)設(shè)置在硬度較高、表面平整的混凝土中，且傳感器與樁身呈現(xiàn)垂直狀態(tài)。若是敲擊點(diǎn)的位置落在樁基礎(chǔ)頂部未鑿凈或是平整度不足的位置，就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波無(wú)法完全垂直向下傳遞，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)下部的信息被掩蓋。

傳感器

傳感器的選擇是低應(yīng)變反射波樁基檢測(cè)中的重要影響因素，要求傳感器與樁基礎(chǔ)相互匹配，一般情況下選擇頻率范圍寬、靈敏度較高或者線性波動(dòng)范圍大的感應(yīng)器。同時(shí)感應(yīng)器與樁基礎(chǔ)的耦合程度越高，測(cè)量結(jié)果也越準(zhǔn)確，所以要求兩者之間的粘結(jié)程度較高，通過(guò)粘結(jié)效果好的粘結(jié)物可以有效提高兩者的結(jié)合度，同時(shí)減少雜波的收集。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在樁基礎(chǔ)的頂部圓心敲擊，傳感器應(yīng)該安裝在距離樁基礎(chǔ)中心2/3的位置。

激振錘的選擇

激振波的形成是錘擊產(chǎn)生的，而剛度較大的鐵錘能夠激發(fā)出脈沖寬度很窄的矩形波，對(duì)提高缺陷位置的分辨率有積極作用。但相應(yīng)的信號(hào)會(huì)發(fā)生快速衰減，對(duì)樁身或樁底位置的測(cè)量非常不利。相比鐵錘而言，剛度較小的尼龍錘激發(fā)出的波動(dòng)頻率寬度較高，有利于樁身及樁底的測(cè)量，但是難辨別出樁頭的缺陷，所以需要根據(jù)測(cè)量需要選擇相對(duì)應(yīng)的激振錘。

檢測(cè)人員的問(wèn)題分析

在樁基礎(chǔ)的檢測(cè)過(guò)程中，要求檢測(cè)人員的專(zhuān)業(yè)能力較強(qiáng)、做好記錄，但目前由于檢測(cè)人員的原因，檢測(cè)存在以下問(wèn)題：

在相關(guān)的檢測(cè)規(guī)范中指出，低應(yīng)變反射波檢測(cè)技術(shù)僅應(yīng)用于樁身完整性的檢測(cè)，無(wú)法測(cè)量樁身的承載力。低應(yīng)變反射波測(cè)量法想要判斷測(cè)量樁承載力不足，則必須結(jié)合靜載試驗(yàn)等方式檢測(cè)。

反射波的波速與樁基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度之間不呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要是由于反射波除了與樁基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度、樁身長(zhǎng)短有關(guān)，樁基礎(chǔ)混凝土的骨料品種、密度、水灰比甚至施工工藝等內(nèi)容都會(huì)對(duì)反射波產(chǎn)生影響，所以認(rèn)為樁基礎(chǔ)的反射波與混凝土強(qiáng)度之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系是錯(cuò)誤的。

部分測(cè)量人員認(rèn)為通過(guò)低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁基礎(chǔ)完整性時(shí)，應(yīng)該具有一個(gè)與入射波同時(shí)到達(dá)樁底部的反射波，但實(shí)際上，樁基礎(chǔ)部分樁身的阻抗與持力層的阻抗相互匹配時(shí)，無(wú)樁底板反射波也是正常的。相反，對(duì)于嵌巖樁來(lái)說(shuō)，若出現(xiàn)了與入射波相反的反射波時(shí)，則說(shuō)明該檢測(cè)方法是不合格的，應(yīng)該使用其他方式檢測(cè)嵌巖樁的完整性。

在相應(yīng)的操作規(guī)范中，通過(guò)低應(yīng)變反射法檢測(cè)樁基礎(chǔ)時(shí)，樁基礎(chǔ)的頂面必須是平整與密實(shí)的，同時(shí)根據(jù)一維桿所建立的偏微分方程還需要保證樁頂部的自由。因此，若是承臺(tái)已經(jīng)澆筑完成，再采取低應(yīng)變反射波法測(cè)量的做法是錯(cuò)誤的。

檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)波速確定

由于科技及經(jīng)驗(yàn)的限制，交通運(yùn)輸部及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部規(guī)范中均未明確給出波速與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)輸入波速在一定程度上需依靠經(jīng)驗(yàn)。利用時(shí)域圖分析樁身缺陷遇到阻礙時(shí)，為了得到更清晰、直觀的圖形，往往把記錄下來(lái)的時(shí)域波形圖進(jìn)行振幅譜和功率譜分析。通常采集的是速度波，當(dāng)樁底不明顯時(shí)，需采集加速度波，使分析更明確。

傳感器頻率的選擇

根據(jù)小應(yīng)變的基本原理V=2L·△f，依據(jù)原鐵道部規(guī)范給出的波速與強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄋ伲鶕?jù)平時(shí)檢測(cè)最短樁和最長(zhǎng)樁計(jì)算出一個(gè)頻率范圍，選擇傳感器的頻率應(yīng)在這一范圍內(nèi)，且傳感器頻率響應(yīng)應(yīng)在±10%。例如，某樁基混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，取V=3900，設(shè)所測(cè)最長(zhǎng)樁基L1=5m，最短樁基L2=60m，將V、L1、L2代入V=2L·△f求得最大頻率為390，最小頻率為3.25，則選擇傳感器的頻率應(yīng)在3.25～390內(nèi)，且傳感器頻率響應(yīng)應(yīng)在0.325～39范圍內(nèi)。

對(duì)嵌巖樁，要注意入巖與樁底的區(qū)別；對(duì)于普通樁或絕大多數(shù)摩擦樁，樁底反射波均為同向反射波。嵌巖樁入巖時(shí)，遇到巖石的強(qiáng)度大于混凝土的情況，會(huì)在入巖位置出現(xiàn)反向波，簡(jiǎn)單的理解為擴(kuò)徑。如果巖石層比較厚，將很難看到樁底。巖石強(qiáng)度較低，則會(huì)在樁底出現(xiàn)同向反射波，此處位置才是真正的樁底。

對(duì)于摩擦樁而言，土層出現(xiàn)變化也可能導(dǎo)致圖形缺陷。因此，在樁基出現(xiàn)缺陷時(shí)，為防止誤判，需根據(jù)甲方提供詳細(xì)的地質(zhì)資料綜合分析判斷。

結(jié)語(yǔ)

雖然低應(yīng)變反射波測(cè)試法具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)成本低及適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是其應(yīng)用理論，即一維彈性桿縱波理論與實(shí)踐還存在差異，可能由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的疏忽導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有誤。因此，要求檢測(cè)工作人員掌握應(yīng)力波與信號(hào)采集技術(shù)的相關(guān)理論知識(shí)、科學(xué)使用檢測(cè)設(shè)備，掌握影響測(cè)量結(jié)果的諸多因素，并且結(jié)合長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確地測(cè)量。