公路工程預(yù)制箱梁注漿密實(shí)度檢測(cè)研究

摘要 為了評(píng)估公路工程中預(yù)制箱梁孔道注漿密實(shí)度的質(zhì)量，以提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，文章采用沖擊回波法對(duì)預(yù)應(yīng)力管道的注漿密實(shí)度進(jìn)行了定性與定位檢測(cè)，通過實(shí)測(cè)波速、全長(zhǎng)衰減法分項(xiàng)注漿指數(shù)、全長(zhǎng)波速法分項(xiàng)注漿指數(shù)及傳遞函數(shù)法分項(xiàng)注漿指數(shù)等參數(shù)綜合分析。結(jié)果表明：檢測(cè)的各預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度均達(dá)到規(guī)范要求，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了有效保障。沖擊回波法為預(yù)制箱梁的注漿質(zhì)量檢測(cè)提供了可靠的無損檢測(cè)手段，可實(shí)現(xiàn)快速、精確的質(zhì)量評(píng)估。

關(guān)鍵詞 預(yù)制箱梁；注漿密實(shí)度；沖擊回波法；無損檢測(cè)

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）23-0082-03

0 引言

在公路橋梁工程中，預(yù)制箱梁孔道的注漿質(zhì)量對(duì)橋梁的整體安全性和耐久性具有重要影響。注漿密實(shí)度不足的孔道可能導(dǎo)致鋼絞線腐蝕、預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)而影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，沖擊回波法憑借其快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，已成為檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度的重要手段。通過沖擊回波法的縱波、橫波及表面波的傳播特性分析，可以識(shí)別孔道內(nèi)注漿體是否存在不密實(shí)的區(qū)域[1]。該研究針對(duì)汕頭市牛田洋快速通道的預(yù)制箱梁，采用沖擊回波法進(jìn)行孔道注漿密實(shí)度檢測(cè)，研究成果為公路橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制提供了理論和技術(shù)支撐。

1 沖擊回波法的基本原理

沖擊回波法是通過對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施加機(jī)械沖擊，使得結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波的種類主要包括縱波（P波）、橫波（S波）和表面波（R波），其中縱波由于傳播速度較快、頻率響應(yīng)強(qiáng)，因此成為沖擊回波法中的主要檢測(cè)波[2]。當(dāng)機(jī)械沖擊作用于結(jié)構(gòu)表面時(shí)，產(chǎn)生的P波、S波和R波以不同方式進(jìn)行傳播。P波以體波的形式沿傳播路徑快速傳播，并在碰到聲阻抗差異明顯的邊界時(shí)反射回表面，這也是沖擊回波法的核心檢測(cè)信號(hào)。由于混凝土具有一定的厚度和致密性，P波的頻率通常高于其他波。S波和R波分別為橫向傳播的剪切波和沿表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǎ咴谔囟ㄇ闆r下會(huì)影響檢測(cè)精度。圖1為沖擊回波法中主要應(yīng)力波的傳播過程及其反射、折射的行為。

為了提取有用的檢測(cè)信息，沖擊回波法采用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)[3]。通過快速傅里葉變換（FFT），可以將反射波的時(shí)間位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率振幅信號(hào)，從而得到頻譜圖。在頻譜圖上，橫軸表示頻率，縱軸表示幅值。對(duì)于給定的混凝土結(jié)構(gòu)，其主頻響應(yīng)值可以通過公式（1）計(jì)算得到：

（1）

式中：——主頻（Hz）；——材料的P波速度（m/s）；——結(jié)構(gòu)厚度（m）。

在實(shí)際操作中，由于受檢測(cè)點(diǎn)混凝土狀態(tài)的影響，頻譜圖上主頻的峰值可能出現(xiàn)偏移，從而反映出檢測(cè)區(qū)域的密實(shí)度情況。當(dāng)孔道壓漿密實(shí)時(shí)，檢測(cè)到的回波主頻接近理論主頻；而在不密實(shí)甚至空隙狀態(tài)下，沖擊波遇到孔隙時(shí)會(huì)發(fā)生繞射，傳播路徑和周期增加，使得頻率偏移到低頻方向[4]。管道壓漿密實(shí)狀態(tài)下的主頻響應(yīng)一般較高，而存在空洞或不密實(shí)的區(qū)域則會(huì)出現(xiàn)明顯的低頻漂移。圖2為不同密實(shí)度下的沖擊回波主頻變化示意圖，fa、fb、fc、fd分別代表在不同密實(shí)度條件下系統(tǒng)的沖擊回波頻譜中出現(xiàn)的特征頻率，可以看出管道壓漿狀態(tài)良好與不良時(shí)的主頻響應(yīng)特征存在明顯差異。

根據(jù)測(cè)得的頻譜圖形態(tài)及主頻值，可判斷結(jié)構(gòu)的密實(shí)度狀態(tài)，尤其是在預(yù)應(yīng)力管道檢測(cè)中，該方法能夠通過不同頻率響應(yīng)的差異識(shí)別出空隙或缺陷位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)。

2 工程概況

汕頭市牛田洋快速通道和金砂西路西延線工程是該區(qū)域重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，CK0+698.45金鳳西路互通立交C匝道橋?yàn)榻M合式橋梁結(jié)構(gòu)，采用先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)的預(yù)制箱梁設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制箱梁和現(xiàn)澆連續(xù)箱梁結(jié)合，下部結(jié)構(gòu)橋墩設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)支撐的框式墩。箱梁長(zhǎng)度為30 m，采用C50混凝土，考慮預(yù)應(yīng)力混凝土的張拉需求，采用公稱直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，符合《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370—2015）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。鋼絞線的公稱抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860 MPa，張拉控制應(yīng)力為1395 MPa，彈性模量為1.95×105 MPa。該預(yù)制箱梁內(nèi)設(shè)置了5條預(yù)應(yīng)力管道，其中N1、N2和N5管道配置5束鋼絞線，N3和N4管道配置6束鋼絞線。各管道均采用金屬波紋管成型，管徑65 mm，鋼帶厚度不小于0.35 mm，預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)注漿材料為高強(qiáng)度水泥漿。

3 注漿密實(shí)度檢測(cè)方案

采用CTG-1TF沖擊回波測(cè)試系統(tǒng)，通過定性檢測(cè)和定位檢測(cè)，檢測(cè)預(yù)制箱梁內(nèi)部預(yù)應(yīng)力管道的注漿密實(shí)度，具體流程見圖3。

為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的代表性和準(zhǔn)確性，在測(cè)試過程中，優(yōu)先選取管道易出現(xiàn)密實(shí)度問題的進(jìn)漿口和出漿口進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，這兩處由于灌漿壓力變化和流動(dòng)阻力影響，通常易出現(xiàn)不密實(shí)區(qū)域。沿管道長(zhǎng)度方向設(shè)置多條檢測(cè)測(cè)線，每條測(cè)線沿波紋管的走向平行布置，以便檢測(cè)過程中有效捕捉管道內(nèi)密實(shí)度的變化情況。根據(jù)預(yù)應(yīng)力管道直徑及施工過程中常見的密實(shí)度波動(dòng)范圍，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)為10 cm，以確保在檢測(cè)密實(shí)度變化較大區(qū)域時(shí)能夠有效捕捉主頻漂移信號(hào)?？拷M(jìn)漿口和出漿口的測(cè)點(diǎn)間距適當(dāng)加密，沿波紋管的不同位置適當(dāng)增設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，如在距進(jìn)漿口和出漿口5 m范圍內(nèi)加密測(cè)點(diǎn)布置，每條測(cè)線的起始位置和測(cè)點(diǎn)數(shù)量均依據(jù)實(shí)際波紋管的分布特性確定。

4 數(shù)據(jù)分析及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

4.1 定性檢測(cè)

在預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度的檢測(cè)中，定性檢測(cè)方法通過分析沖擊回波頻譜圖的波形特征，結(jié)合設(shè)定的參數(shù)，計(jì)算實(shí)測(cè)波速、全長(zhǎng)波注漿指數(shù)、衰減法注漿指數(shù)、傳遞函數(shù)注漿指數(shù)及綜合注漿指數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，以評(píng)估孔道的壓漿質(zhì)量狀況[5]。根據(jù)《橋梁預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DB13/T 2480—2017）及《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）的相關(guān)要求，通過綜合注漿指數(shù)If進(jìn)行質(zhì)量判斷，If值的范圍被劃分為四個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的孔道壓漿質(zhì)量狀況及特征描述，具體如下：

（1）≥0.98：孔道內(nèi)注漿密實(shí)或基本密實(shí)，注漿飽滿，僅可能存在微小氣泡或細(xì)微收縮，注漿體與鋼絞線完全接觸，通常代表理想狀態(tài)下的壓漿密實(shí)度，表明孔道內(nèi)沒有明顯缺陷。

（2）0.90≤＜0.98：注漿存在輕微缺陷，孔道內(nèi)波紋管頂部可能有小范圍的空隙，部分漿體可能因收縮與鋼絞線脫離接觸，但整體質(zhì)量尚可，說明孔道內(nèi)注漿狀態(tài)較好，但存在輕微缺陷。

（3）0.85≤＜0.90：注漿存在明顯缺陷，波紋管頂部有較大空隙，且鋼絞線部分區(qū)域與漿體接觸不良，說明該區(qū)域的注漿密實(shí)性較差，可能會(huì)影響預(yù)應(yīng)力鋼絞線的防護(hù)效果。

（4）＜0.85：注漿存在嚴(yán)重缺陷，孔道內(nèi)注漿嚴(yán)重不足，波紋管頂部無漿體填充，存在砂漿的重度不足，注漿體與鋼絞線幾乎無接觸，會(huì)導(dǎo)致鋼絞線失去應(yīng)有的保護(hù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性構(gòu)成威脅。

4.2 定位檢測(cè)

在預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度的定位檢測(cè)中，根據(jù)《橋梁預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度無損檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DB14/T 1109—2015）和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）的相關(guān)要求，通過計(jì)算壓漿率D來量化孔道的密實(shí)程度。壓漿率D的計(jì)算公式為：

（2）

其中，——壓漿率（%）；——測(cè)點(diǎn)數(shù)量，通常測(cè)點(diǎn)間距為10～20 cm；——每個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓漿狀態(tài)，取值為0或1，分別對(duì)應(yīng)無缺陷和有缺陷的情況。

不同缺陷的判斷依據(jù)具體見表1。若某測(cè)點(diǎn)的等效波速降幅達(dá)到5%～15%，或波紋管處有明顯的反射信號(hào)，則該點(diǎn)被標(biāo)記為存在缺陷。

對(duì)于金屬波紋管和塑料波紋管的檢測(cè)，若等效波速的降幅在5%～10%之間，且波紋管處有明顯反射，則可視為存在輕微缺陷；而降幅超過15%且伴隨波紋管反射信號(hào)明顯，則被判定為嚴(yán)重缺陷。對(duì)于不同的缺陷狀態(tài)，還需考量缺陷長(zhǎng)度，單個(gè)缺陷長(zhǎng)度不得超過0.4 m，否則需重新評(píng)估整個(gè)檢測(cè)區(qū)段的壓漿質(zhì)量。

在壓漿率計(jì)算完成后，根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)，若D值不小于90%，且單個(gè)缺陷長(zhǎng)度不超過20 cm，則該段孔道的壓漿質(zhì)量視為合格；若D值小于90%，則需對(duì)存在缺陷的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)漿和再評(píng)估，確保壓漿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。若評(píng)估后的D值仍低于90%，則該孔道被認(rèn)定為不合格，需采取相應(yīng)的處理措施。

5 注漿密實(shí)度檢測(cè)結(jié)果分析

在汕頭市牛田洋快速通道和金砂西路西延線工程II標(biāo)段CK0+698.45處的38-4#預(yù)制箱梁孔道注漿密實(shí)度檢測(cè)中，采用多種參數(shù)綜合評(píng)估孔道內(nèi)部的注漿質(zhì)量。檢測(cè)結(jié)果顯示：各預(yù)應(yīng)力孔道的綜合注漿密實(shí)度評(píng)價(jià)均達(dá)到規(guī)范要求。以下對(duì)各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行具體分析。

（1）Vc實(shí)測(cè)波速

各孔道的波速在4 167～4 257 m/s之間，符合預(yù)制混凝土的波速標(biāo)準(zhǔn)。波速值的穩(wěn)定性表明注漿材料在孔道內(nèi)分布均勻且密實(shí)，從而有效支撐了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的保護(hù)。

（2）IPV全長(zhǎng)波注漿指數(shù)

所有檢測(cè)孔道的IPV值均為1，表明孔道內(nèi)部沒有顯著空隙或不密實(shí)區(qū)域，漿體填充狀態(tài)達(dá)到理想的均勻性和連續(xù)性。

（3）IEA注漿指數(shù)

IEA指數(shù)多數(shù)孔道為1，個(gè)別孔道（如N1-2、N2-1、N5-2）略低于1（最低為0.96），但仍接近理想值，這表明大部分孔道的注漿狀態(tài)較為理想，僅個(gè)別位置可能存在輕微的收縮或局部空隙，但對(duì)整體密實(shí)度影響不大。

（4）ITF傳遞函數(shù)注漿指數(shù)

所有孔道的ITF值均為1，表明注漿材料與鋼絞線的接觸良好，能夠有效傳遞預(yù)應(yīng)力荷載，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

（5）綜合注漿指數(shù)

所有孔道的值均在0.98～1之間，其中大部分孔道達(dá)到了1。根據(jù)注漿密實(shí)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這些孔道的值均在合格范圍內(nèi)，表明孔道注漿質(zhì)量基本密實(shí)，無明顯質(zhì)量缺陷。

由上述分析可知，38-4#預(yù)制箱梁孔道的注漿密實(shí)度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，密實(shí)性較高，無顯著缺陷。各項(xiàng)指標(biāo)如IPV、IEA、ITF和均接近或達(dá)到1，表明孔道注漿質(zhì)量?jī)?yōu)良，能夠?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼絞線提供良好的保護(hù)和支撐，從而保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。

6 結(jié)語

綜上，該文通過沖擊回波法對(duì)公路工程預(yù)制箱梁孔道的注漿密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)和分析，采用定性檢測(cè)與定位檢測(cè)相結(jié)合的方法，評(píng)估了注漿的密實(shí)狀況。檢測(cè)結(jié)果表明：各孔道的注漿質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，各項(xiàng)指標(biāo)接近理想值，注漿材料在孔道內(nèi)分布均勻、黏結(jié)良好，能夠?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼絞線提供穩(wěn)定的保護(hù)。沖擊回波法在注漿密實(shí)度檢測(cè)中表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和效率，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)提供了可靠的技術(shù)支持，為類似工程的檢測(cè)和質(zhì)量控制提供了參考。

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