低應(yīng)變法在橋梁樁基檢測技術(shù)中的應(yīng)用

文暢霆

摘要 在公路橋梁不斷投入使用的過程中，基樁作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其質(zhì)量合格與否直接影響整個橋梁的結(jié)構(gòu)安全。為了對橋梁樁基檢測技術(shù)進(jìn)行研究，文章以某建設(shè)項(xiàng)目為檢測依托，對無損檢測低應(yīng)變法技術(shù)進(jìn)行研究。通過理論分析與檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的研判，低應(yīng)變法不僅方便高效地對橋梁基樁進(jìn)行完整性檢測，也為橋梁基樁的完整性和整個工程的質(zhì)量安全提供了有效保障，可為類似橋梁施工的基樁檢測提供參考。

關(guān)鍵詞 橋梁施工；樁基；低應(yīng)變法；無損檢測；基樁檢測

中圖分類號 U445.551文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0043-04

0 引言

目前，在整個橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)中，各有關(guān)部門及參建單位對橋梁基樁質(zhì)量也予以了高度關(guān)注。同時，受橋梁基樁施工條件影響，在施工過程中極易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，而這些缺陷也將直接導(dǎo)致樁基出現(xiàn)質(zhì)量問題?？傮w來看，樁基工程相比上部工程的施工與質(zhì)量檢測也更為復(fù)雜，對橋梁工程質(zhì)量產(chǎn)生影響的威脅也更大。因此，加強(qiáng)橋梁樁基施工安全管理，提升橋梁樁基檢測力度，對于保證公路橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性非常重要。

1 橋梁樁基的概述及常見缺陷

橋梁樁基是橋梁工程的基礎(chǔ)形式，為了穩(wěn)定承受橋梁荷載和外力作用，橋梁樁基將橋梁的支撐錨固于地下基礎(chǔ)。其主要用于壓實(shí)土壤、增加地基承載力、提高橋梁的穩(wěn)定性和安全性。常見的樁基類型包括鉆孔灌注樁、鋼管樁和預(yù)應(yīng)力樁等，具有施工方便、成本低、承載能力大等特點(diǎn)。橋梁樁基常見的缺陷如圖1所示：

2 低應(yīng)變檢測技術(shù)

2.1 低應(yīng)變檢測技術(shù)原理

低應(yīng)變檢測技術(shù)是一種以應(yīng)力波為基礎(chǔ)的檢測手段，其操作過程是先通過錘擊樁的頂部對結(jié)構(gòu)表層施加力量，從而激發(fā)出應(yīng)力波。此應(yīng)力波在樁身內(nèi)傳播時，一旦碰到不連續(xù)界面，例如蜂窩狀結(jié)構(gòu)、夾泥、斷裂或孔洞等瑕疵，以及樁底面，都會產(chǎn)生反射波。這些反射波隨后被安置在樁頂?shù)膫鞲衅鞑东@，再通過深入分析反射波的傳播時長、振幅以及波形特點(diǎn)，就可以對樁基的完整性進(jìn)行科學(xué)評估。該方法測試快速、簡單方便，且具有無損的優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用[1-2]。

2.2 低應(yīng)變檢測適用范圍

低應(yīng)變檢測方法特別適合于評估混凝土樁的樁身完整性。但在檢測過程中，由于樁側(cè)土的摩阻力、樁身材料阻尼和樁身截面距阻抗等因素影響，其能力和幅值都將在應(yīng)力波傳遞過程中逐漸衰減，其能量往往在應(yīng)力波尚未傳遞至樁底就已完全衰減，導(dǎo)致接收不到樁底反射信號，從而無法判定整根樁的完整性。因此在工程實(shí)際檢測中，通常將樁長限制在5～50 m，樁徑限制在1.8 m以內(nèi)。當(dāng)然，樁長在50 m以上也有獲得樁底反射信號的情況，但由于橋梁樁基承載力要求高，大部分單柱單樁的低應(yīng)變反射信號在50 m以上的樁基底部反射不明顯，故作以上限制[3]。

2.3 低應(yīng)變檢測儀器選擇

《公路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》（JTG/T 3512—2020）對低應(yīng)變法檢測儀器的主要技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了明確規(guī)定，這些指標(biāo)必須至少滿足當(dāng)前實(shí)行的《基樁動測儀》（JG/T 3055—1999）中的2級標(biāo)準(zhǔn)。此外，該規(guī)程還集成了連續(xù)數(shù)據(jù)采集、迅速自動存儲、實(shí)時信號顯示以及信號分析處理等多項(xiàng)功能。

對于信號采集系統(tǒng)，有如下幾項(xiàng)基本要求：

（1）數(shù)據(jù)采集與處理器中的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，其位數(shù)應(yīng)至少達(dá)到16 bit。

（2）推薦的采樣時間間隔應(yīng)在5～50 μs之間。

（3）單通道采樣點(diǎn)不宜少于1 024點(diǎn)。

（4）動態(tài)范圍宜大于60 dB，可調(diào)、線性度良好，其頻響范圍應(yīng)滿足10～5 kHz。

目前，國內(nèi)使用較廣泛的基樁動測儀器有：武漢中巖科技股份有限公司生產(chǎn)的RSM系列基樁動測儀、美國的PIT等。此儀器適用于低應(yīng)變法檢測、高應(yīng)變法檢測、剪切波測量、地脈動測量及其他工程振動測量等。

3 低應(yīng)變現(xiàn)場檢測應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前應(yīng)預(yù)先準(zhǔn)備好成樁工藝、樁徑、樁長、齡期、強(qiáng)度等資料。為了確保檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，被檢查樁的混凝土強(qiáng)度應(yīng)不低于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%且不應(yīng)低于15 MPa，并且其使用壽命不應(yīng)少于7 d。樁頭所使用的材料、強(qiáng)度以及截面的大小都應(yīng)與樁身保持基本的一致性；樁的頂部應(yīng)當(dāng)平滑和緊密，并與樁的軸線保持垂直關(guān)系。同時，應(yīng)預(yù)先對被檢測樁的樁頭進(jìn)行處理，去除樁頭表面浮漿，對安裝傳感器和激振點(diǎn)的地方在打磨處理后進(jìn)行測試[4]。

3.2 測試參數(shù)測定

（1）應(yīng)變值：通過低應(yīng)變測量儀器測定樣品在受力加載時的應(yīng)變值。該參數(shù)可以反映樣品在受力時的變形程度，是評估樣品性能的重要指標(biāo)。

（2）加載力：記錄加載在樣品上的力的大小。該參數(shù)可以了解在不同力作用下樣品的應(yīng)變響應(yīng)。

（3）彈性模量：通過測定應(yīng)變值和加載力，可以計(jì)算出樣品的彈性模量。彈性模量是衡量材料剛度的物理量，對于評估材料的力學(xué)性能具有重要意義。

（4）泊松比：在某些情況下，還需要測定樣品的泊松比。泊松比是材料在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值比值，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。

3.3 傳感器安裝

傳感器的放置位置必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。測試的表面應(yīng)當(dāng)平滑，檢查的樁頭需要鑿到新鮮的混凝土表面，所有的測試點(diǎn)和激振點(diǎn)都應(yīng)使用砂輪機(jī)進(jìn)行磨平處理。在選擇激振點(diǎn)的位置時，應(yīng)優(yōu)先考慮樁的中心，而測量傳感器的最佳安裝位置在距離樁中心2/3半徑的地方；為了避免鋼筋籠主筋的干擾，應(yīng)當(dāng)規(guī)避激振點(diǎn)和測量傳感器的安裝位置。傳感器必須和樁基的光面緊密銜接，不能有縫隙，通常會在首檢面的表面涂抹黃油。

3.4 數(shù)據(jù)的采集與整理

檢測人員在做好測點(diǎn)布設(shè)后應(yīng)立即開始數(shù)據(jù)測試，檢測完成后建立數(shù)據(jù)檔案，并定時對數(shù)據(jù)檔案進(jìn)行更新，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。

（1）根據(jù)樁徑大小，在樁心對稱布置2～4個測點(diǎn)；對混凝土灌注樁，當(dāng)樁徑小于1 000 mm時，不宜少于2個測點(diǎn)；當(dāng)樁徑大于等于1 000 mm時，應(yīng)布置3～4個測點(diǎn)；測點(diǎn)宜以樁心為中心對稱布置。

（2）對于混凝土預(yù)制樁，當(dāng)樁徑小于600 mm時，不宜少于2個測點(diǎn)；當(dāng)樁徑大于等于600 mm時，不宜少于3個測點(diǎn)。

（3）每1個檢測點(diǎn)所記錄的有效信號數(shù)量不應(yīng)少于3個，并且檢測的波形必須保持高度的一致性。

（4）對實(shí)測信號進(jìn)行檢查，以確定其是否真實(shí)反映了樁身的完整性特點(diǎn)。

（5）實(shí)測信號不應(yīng)出現(xiàn)失真或零漂現(xiàn)象，同時信號的幅度也不應(yīng)超出測量系統(tǒng)的測量范圍。

（6）當(dāng)檢測環(huán)境存在干擾時，宜采用信號疊加增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行重復(fù)激振，以提高信噪比。當(dāng)不同檢測點(diǎn)及多次實(shí)測時域信號的一致性較差時，應(yīng)分析原因，排除人為和檢測儀器等干擾因素，重新檢測或增加檢測點(diǎn)數(shù)量。

3.5 檢測數(shù)據(jù)處理

在檢測獲得相關(guān)數(shù)據(jù)后，應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，最后判定基樁尤其是樁基是否存在缺陷及缺陷位置，以方便工程后續(xù)處理。為了提升評估的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行評估時，應(yīng)根據(jù)表格中列出的時域信號特征或幅頻信號特征進(jìn)行全面的分析和評價。在此過程中，除了參考相關(guān)數(shù)據(jù)，還需要綜合考慮多個因素，包括缺陷的深度、測試信號的衰減特性、設(shè)計(jì)樁形、成樁工藝、地基條件以及施工情況等。

（1）確定聲速的平均數(shù)值。按照以下公式計(jì)算平均值：

式中，cm——樁身波速的平均值；ci——第i根受檢樁的樁身波速值，且|ci?cm|/cm不宜大于5%（m/s）；L——測點(diǎn)下樁長（m）；ΔT——速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差（ms）；Δf——幅頻曲線上樁底相鄰諧振峰間的頻差（Hz）；n——參加波速平均值計(jì)算的基樁數(shù)量（n≥5）。

（2）樁聲缺陷位置應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中，x——樁身缺陷至傳感器安裝點(diǎn)的距離（m）；Δtx——速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差（ms）；Δf?——幅頻信號曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差（Hz）；c——受檢樁的樁身波速（m/s），無法確定時可用樁身波速的平均值替代。

通常情況下，Ⅰ類樁被視為完整的樁；Ⅱ類樁的樁身存在輕微的缺陷，但這并不會妨礙樁身結(jié)構(gòu)承載能力的正常表現(xiàn)；Ⅲ類樁的樁身結(jié)構(gòu)存在顯著不足，這對其承載能力產(chǎn)生了不良影響；Ⅳ類樁存在明顯缺點(diǎn)。關(guān)于樁身完整性的時域信號和幅頻信號特性，請參見表1所示：

4 低應(yīng)變法檢測應(yīng)用實(shí)例分析

貴陽市經(jīng)開區(qū)某建設(shè)項(xiàng)目，總建筑面積4 857.2 m2，采用框架結(jié)構(gòu)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為丙級，基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)，場地屬于建筑抗震一般地段。樁基礎(chǔ)按端承樁設(shè)計(jì)，直徑為1.2～1.8 m，樁長6.93～11.66 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30，施工工藝采用旋挖鉆灌注方式。

采用低應(yīng)變反射波法對樁身完整性進(jìn)行檢測，具體 檢測結(jié)果見表 2 所示。

選取 26#、27# 基樁，進(jìn)行低應(yīng)變分析如圖 2 所示。

該項(xiàng)目的端承樁共計(jì)檢測 7 根，依據(jù)《建筑基樁檢 測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014），7 根基樁均評定為Ⅰ 類樁，詳細(xì)評定結(jié)果見表 3 所示。

低應(yīng)變反射波法廣泛地運(yùn)用于工程實(shí)踐中，并已列入國家標(biāo)準(zhǔn)。在樁基施工中，樁基礎(chǔ)檢測是一種行之有效的方法。然而，受施工、地質(zhì)、檢測技術(shù)等諸多因素的影響，測試結(jié)果與理論曲線相比更為復(fù)雜，從而造成接收到的信號干擾大、波形復(fù)雜，使得基樁完整性等級判定困難。當(dāng)前，雖然激發(fā)信號合理，但是在實(shí)際測試過程中，仍然會受到地層、樁頭以及樁身斷面等因素的影響。因此，如何有效地識別樁底反射或缺陷反射，是制約其推廣應(yīng)用的重要因素。目前，在樁基數(shù)量較多的情況下，在小規(guī)模建筑物的樁基檢測中應(yīng)用較多。

5 結(jié)語

在目前的工程建設(shè)中，基樁工程質(zhì)量會對整個建設(shè)工程質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。樁基位于地下，具有較大的隱蔽性，施工難度大、影響因素多、施工過程中不可控因素多，容易產(chǎn)生質(zhì)量隱患。因此，必須做好橋梁樁基的檢測及評定工作。利用低應(yīng)變技術(shù)可以快速地對橋梁樁基質(zhì)量進(jìn)行檢測，但該技術(shù)目前也存在一定的局限性，希望能夠持續(xù)優(yōu)化，可以更好地為工程建設(shè)服務(wù)。

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