单位文秘网 2021-09-01 09:00:14 点击: 次
【摘 要】桥梁桩基的桩身质量直接关系整座桥梁结构的安全性与可靠性,为力求准确、快速判定其桩身质量,保证整座桥梁工程能够按质、按量及按期完成,在现场检测环境和检测条件对某种检测方法限制时根据规范的相关原则采用其他检测方法辅助检测,相互验证、补充,从而达到保证桥桩质量的目的。本文就目前较为成熟的三种波动技术(即声波透射法、低应变反射波法及高应变动力试验法)在桥桩质量检测中的联合应用用案例作了一些说明及分析。
【关键词】波动技术;声波透射法;低应变反射波法;高应变动力试验法
0.概述
近年来,随着交通建设的快速发展,大量的桥梁在不断兴建,其结构类型也是多种多样,而作为支承上部结构的桥梁基础,绝大多数采用了桩基础,故桩基础的质量如何,将直接影响到整座桥梁的安全。为了准确、快速高效掌握桥桩桩身质量这唯一目的,需要充分利用各种成熟、先进的检测技术方法进行检测,然而由于各种检测方法均有其优点和缺点,加上在工程现场检测时会受到环境、检测条件等等因素的限制,故检测过程中需充分发挥各种检测方法的优点,并利用各种方法之间的互补性,综合应用,相互验证,以求达到得比较好的检测效果。波动技术作为基于波动理论和波动力学发展起来的一门检测技术,在包括桥桩在内的桩基质量检测中应用最为广泛,具有方便、快速和较为准确的优点。通过以声波透射法、低应变反射波法及高应变动力试验法为主要代表的几种波动检测技术的联合应用,相互补充验证,使得在检测中其桩身质量状况得到较为准确的判定,从而保证了桥桩质量。
1.波动技术概念
任何连续介质内的局部振动都会向四周传播,所谓波动,就是这种局部振动向四周的传播过程。例如地震这种发自地球内部的局部振动,就会经过长距离的传播到达地面,对人类的生存和活动产生极其复杂而严重的影响。波动过程是介质的质点运动与其局部变形向外交替发展的过程,其中介质的应力应变始终处于其材料弹性范围内的波动称为弹性波,包括在流体中传播的声波和在固体中传播的应力波。波动的基本参量可分为2组:一是运动参量,包括位移U、速度V和加速度a;二是变形参量,包括应变ε、应力σ和力F。各参量间的相互关系可用以下三个公式来表示:
所谓波动技术,就是根据波动理论和波动力学,通过人为的激振来产生波动,并利用波动参量的变化来达到某些检测的目的的技术手段。在桩基工程领域,最近几十年来,波动技术作为一门崭新的桩基质量诊断技术已广泛应用,并极大地充实了桩基检测工作内容。
2.波动技术分类
根据目前在世界范围内基本肯定和普遍应用的较为成熟的波动技术主要有三种,即声波透射法、低应变反射波法及高应变动力试验法,其主要原理及方法如下:
2.1声波透射法
声波透射法是在桩内预埋纵向声测管道,将超声脉冲发射和接收探头置于声测管中,管中充满清水作耦合剂,由仪器发出周期性电脉冲通过发射探头发射并穿透混凝土,被接收探头接收并转换成电信号。由仪器中的测量系统测出超声脉冲穿过桩体所需时间、接收波幅值、接收脉冲主频率、接收波形及频谱等参数。最后由数据处理系统按判断软件对接收信号的各种参数进行综合判断和分析,即可对混凝土各种内部缺陷的性质、大小、位置作出判断,并给出混凝土总体均匀性和强度等级的评价指标。数据分析的几种方法如下。
2.1.1声时分析
选取声时平均值 与声时2倍标准差δt之和作为判定桩身有无缺陷的临界值。
式中,n为测点数,ti为第i个测点的声时值,u为声时平均值,δ为声时标准差,S为判定桩身有无缺陷的临界值。若ti>Si,即判定基桩在此深度处可能存在缺陷。
2.1.2波幅分析
波幅是对缺陷最为敏感的声学参数,选取接收到的超声波信号波幅平均值的一半作为判断有无缺陷的临界值,波幅值以衰减器的衰减量q表示,通常用分贝值表示:
式中,uq为波幅平均值,qi为第 个测点的波幅,n为测点数,Q为判断桩身有无缺陷的临界值。若qi 2.1.3 PSD法 提出“声时一深度曲线”相邻两点间的斜率和差值的乘积作为判断依据。 式中,S为第i-1测点与第i测点之间“声时一深度”曲线的斜率,H、 H为相邻两测点的深度。 根据PSD判据的性质,可得出断桩临界判据: 式中,K为出现断桩或全断面夹层时的临界判据,L为声测管的间距,V为混凝土的平行声速,V为夹层内含物的估计声速。当某点的PSD判据Ki>Kc时,该点可判为断桩。 2.2低应变反射波法 低应变反射波法是在桩顶(pile top)向下激发低能量的应力波,当桩身存在明显波阻抗Z变化界面(如离析、断桩等部位)或桩身截面积变化(如缩颈、扩颈)部位,一部分波将反射向上传播,另一部分波产生透射向下传播至桩底,在桩底处又产生反射。经安装在桩顶的传感器接受反射波信号,并由桩基检测仪进行积分或放大滤波等处理,得到速度时程曲线。从曲线的形态特征可以判断阻抗变化位置或校核桩长,由平均波速大小估计混凝土的强度等级。 当桩嵌于土体中,将受桩周土的阻尼作用,桩的动力特性满足一维波动方程,即: 式中,V为质点振动位移,X、t为振动质点到振源的距离和质点振动的时间,n为阻尼系数,A为桩的截面积,E为桩基混凝土弹性模量, v为纵波在桩中的传播速度。 当桩顶施加瞬时外力F(t)时,应力波沿桩身向下传播,波在不同的波阻抗面上发生反射,根据上式可导出应力波在桩中传播的时间及其对不同结构介质桩的纵波速度。 式中,L为桩长,△T为速度波第一波峰与桩底反射波峰的时间差。 当桩身存在缺陷或断桩时各界面反射波使曲线变得复杂。对时程曲线进行分析选出可靠的缺陷反射时间 ,从而得到缺陷部位的具体位置。
式中,L"为缺陷部位距离桩顶的距离,v为同一工地内多根已测合格桩身纵波速度的平均值,△t为速度波第一波峰与缺陷反射波峰的时间差。
具体推断每根桩的桩身完整性时,需根据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征来综合分析和判断。
2.3高应变动力试验法
高应变动力试验法是采用高能量(即几十千牛的重锤)冲击桩顶,引发桩身与桩周土体的相对运动,使桩产生的动位移接近常规静载试桩的沉降量级,以便使桩侧和桩端岩土阻力充分发挥,从而检测和判定基桩的竖向抗压承载力和桩身完整性。
检测设备主要由打桩分析仪、加速度计、应力环和重锤组成。重锤型号的选定、传感器的安装等应按相关规范的要求执行。
2.3.1测试参数设定
①采样时间间隔为50~200μs,信号采样点数不少于1024点。
②传感器的设定值按计量检定结果设定。
应变式力传感器直接测到的是其安装面上的应变,并按下式换算成冲击力:
式中 F——锤击力;
A——测点处桩截面积;
E——桩材弹性模量;
ε——实测应变值。
③自由落锤安装加速度传感器测力时,力的设定值由加速度传感器设定值与重锤质量的乘积确定。
④测点处的桩截面尺寸按实际测量确定,波速、质量密度和弹性模量按实际情况设定。
⑤测点以下桩长和截面积采用设计文件或施工记录提供的数据作为设定值。
⑥桩身材料质量密度按表1取值。
⑦桩身波速结合本地经验或按同场地同类型已检桩的平均波速初步设定,现场检测完成后再根据实测信号确定的波速进行调整。
⑧初次设定或纵波波速修正后,按下式计算或调整桩身材料弹性模量:
2.3.2检测数据分析与判定
高应变动力试验法可检测单桩竖向抗压承载力和桩身完整性,当检测单桩竖向抗压承载力时一般采用实测曲线拟合法和凯司法判定单桩承载力,具体检测原理及方法如下:
(1)实测曲线拟合法判定单桩承载力。
实测曲线拟合法是通过波动问题数值计算,反演确定桩和土的力学模型及其参数值。其过程为:假定各桩单元的桩和土力学模型及其模型参数,利用实测的速度(或力、上行波、下行波)曲线作为输入边界条件,数值求解波动方程,反算桩顶的力(或速度、下行波、上行波)曲线。若计算的曲线与实测曲线不吻合,说明假设的模型或其参数不合理,有针对性地调整模型及参数再行计算,直至计算曲线与实测曲线(以及贯入度的计算值与实测值)的吻合程度良好且不易进一步改善为止。
(2)凯司法(CASE)判定单桩承载力。
CASE法承载力计算:
式中(图1), Rc—由CASE法判定的单桩极限承载力实测值(kN);Jc—CASE法阻尼系数;t1—速度峰值对应的时刻(s);F(t1)—t1时刻测点处实测的锤击力(kN);V(t1)—t1时刻的质点运动速度(m/s);Z—桩身截面广义波阻抗(kN·s/m);A—桩的截面积(m2) ;L—测点下桩长(m)。
凯司法承载力计算公式是基于以下三个假定推导出的:
——桩身阻抗基本恒定;
——动阻力只与桩底质点运动速度成正比,即全部动阻力集中于桩端。
——土阻力在时刻t2=t1+2L/c已充分发挥。
凯司法与实测曲线拟合法在计算承载力上的本质区别是:前者在计算极限承载力时,单击贯入度与最大位移是参考值,计算过程与它们无关。
故凯司法判定单桩承载力,应符合下列规定:
①只适用于桩侧和桩端土阻力均已充分发挥的摩擦型桩。
②桩身材质、截面基本均匀的桩
③阻尼系数Jc宜根据同条件下静载试验结果校核;或应在已取得相近条件下可靠对比资料后,采用实测曲线拟合法确定Jc值,拟合计算的桩数不应少于检测总桩数的30%,且不应少于3根。
2.3.3桩身完整性判定
高应变法检测桩身完整性具有锤击能量大,对缺陷程度定量计算,连续锤击可观察缺陷的扩大和逐步闭合情况等优点,但和低应变法一样,检测的仍是桩身阻抗变化,一般不宜判定缺陷性质。在桩身情况复杂或存在多处阻抗变化时,可优先考虑用实测曲线拟合法判定桩身完整性。桩身完整性判定可采用以下方法进行:
①采用实测曲线拟合法判定时,拟合所选用的桩土参数应按承载力拟合时的有关规定;根据桩的成桩工艺,拟合时可采用桩身阻抗拟合或桩身裂隙(包括混凝土预制桩的接桩缝隙)拟合。
②对于等截面桩,桩身完整性系数β和桩身缺陷位置x应分别按《公路工程基桩动测技术规程》(JTG/T F81-01—2004)中的表5.4.5(即下表2)判定和(5.4.5)公式计算。
3.波动技术在桥桩检测中的联合应用及分析
(1)某公路跨河桥,河两边各两排桥桩,每排为12根,总共48根桩,桥桩采用钻孔灌注桩,桩径1300mm,桩长30m,C30混凝土,预估单桩承载力值≥2500kN。场地地层自上而下主要由杂填土、素填土地、粘土、有机质土、粉砂、粉土等组成。
按照设计要求,该桥共抽检6根桩作高应变动力试验来检验其承载力,全部48根桥桩采用声波透射法作桩身完整性检测。
1)桩身完整性声波透射法检测及分析。
根据声波透射法检测结果,发现该桥34#桩的3个剖面均在桩身底部存在缺陷,即12剖面28~30m、13剖面28.2~30m和23剖面28.2~30m。具体情况见下面声速、波幅实测曲线及PSD曲线:
图1 声速、波幅及PSD曲线
根据上述曲线可看出,34#桥桩底部3个剖面的声速、波幅值远远低于临界值,PSD值突变,波形严重畸变,说明该段桩身存在缺陷,但缺陷的大小需要进行分析和判断。按照以往检测经验,如果在桩身上部(即桩头处)或桩身中部发现3个剖面同时存在缺陷的情况,一般可认定该处桩身存在严重夹泥或断桩,判定为III类或IV类桩,需要及时处理,但如果在桩底处出现此种情况,则需要加以综合分析。
首先,桩底声测管容易被泥浆等包裹。由于声测管安装在钢筋笼上,在桩基施工中,按先清孔,再下放钢筋笼,最后灌注混凝土这样一个流程进行,故在操作过程中如果清孔不彻底,或者灌注混凝土时没有彻底地把泥浆等沉渣返上来,则底部钢筋笼及声测管局部或全部截面有可能被孔底泥浆等沉渣所包裹,造成该处断面的缺陷。此时需判断仅仅是声测管被包裹还是整个断面均夹泥,因为声测管被泥浆等包裹也会影响到其声速和波幅值。
其次,作为检测手段的声波透射法也存在一定的局限性和缺点,其中主要一个问题是采用该方法检测时存在盲区,即桩身中存在部分检测不到的区域。主要的盲区有三:一是桩身截面外围的混凝土保护层区域,由于声测管只能设置在钢筋笼内部,外围的区域及桩身外部可能出现的扩径区域就不可能被检测到;二是声测管的布置数量有限,例如该34#桥桩声测管布置数量为3根,从测管内所发出的弹性波未必能覆盖钢筋笼内部的全部桩身;三是由于表面影响,在桩顶2~3m范围内的检测结果实际并不与中下部测点同样可靠。
由于该桥为摩擦桩群桩基础,桥桩主要靠桩侧阻力发挥作用,共同承担上部荷载。就该34#桩而言,如同以上所分析,由于声波透射法检测时存在盲区,故如假设缺陷只存在声测管外围,而其内部桩身质量尚可,则一可通过单桩承载力试验方法来检测其承载力是否满足设计要求, 二可采用其它方法辅助检测其桩身完整性,验证其桩身质量。如果检测试验结果表明其承载力满足甚至超过设计要求,其桩身完整性尚可,则该桩可不需要处理,因为一旦处理即使采用桩底灌浆这种相对简单的方法也是耗时、耗力和耗费,而如采用破桩补桩方法则该桩即告报废。
根据以上分析情况,结合高应变动力试验法不仅能检测单桩承载力,还可检测桩身完整性的特点,决定采用高应变法来协助检测,并予以相互验证。
2)高应变动力试验法检测及分析
根据高应变动力试验法检测结果,34#桩的单桩竖向极限承载力Qu=7520kN,桩身完整性系数β=0.90。具体结果见下列图表:
实测、拟合、模拟Q~s曲线、桩身剖面及土阻力分布
从高应变检测结果可知,34#桩的单桩竖向极限承载力Qu=7520kN(其中单桩极限摩阻力为6013 kN),单桩承载力特征值Ra=3760 kN,两者均超过了2500kN的设计预估值,满足设计要求;其次,经检测其桩身完整性系数β=0.90,从《公路工程基桩动测技术规程》(JTG/T F81-01—2004)中的表5.4.5可知,其桩身完整性类别为II类桩,属桩身有轻微缺陷,但不会影响正常使用。
根据声波透射法和高应变法检测结果,以及两者间的相互验证和综合分析,可判断出34#桩的桩底确实存在缺陷,但缺陷应该分布在声测管及外围,其桩身内部(即钢筋笼内部)桩身完整性尚可,故应判定为缩径桩,其桩身完整性类别为II类桩。
(2)某公路跨河小桥,桥桩共有6根桩,即0#桥台、1#桥台、2#桥台各2根桩,桩长24~26m,桥桩采用冲孔灌注桩,桩径1500mm, C25混凝土。
按照设计要求,该桥6根桥桩均需采用声波透射法作桩身完整性检测。
1)桩身完整性声波透射法检测及分析。
该批桥桩每根桩均设置3根声测管。在检测过程中,发现该桥1-1#桩由于2#声测管堵管,只能检测13剖面,该剖面的检测情况见下面声速、波幅实测曲线及PSD曲线:
按设计要求,该桥桩的混凝土桩长比钢筋笼及声测管长度多0.5~1.0m。根据上述曲线可看出,1-1#桥桩13剖面的各测点的声速、波幅均大于临界值,波形正常,说明该剖面桩身完整,但由于另外两个剖面(即12、23剖面)因堵管无法检测,故不能对整根桩的桩身完整性作综合评价,需要采用其它方法进行辅助检测、验证。一般情况下,当声波透射法检测桩基受到限制时宜采用钻芯法来检测验证。钻芯法属破损检测方法,通常用取出的芯样效果来说明桩身完整性,相比其它采用波动技术的检测方法,较为直观可靠,但该方法取样部位有局限性,只能反映钻孔范围内的小部分混凝土质量,存在较大的盲区,容易以点代面造成误判或漏判;其次,钻芯法相比其它采用波动技术的无损检测方法,存在设备庞大、费工费时、价格昂贵的缺点。而现场实际情况是,该座桥梁施工工期较紧,桥桩完成后急需进行桥台及上部施工,为此,根据1-1#桩已有1个剖面的检测结果,且桩长在30m内,属低应变可检测范围,且低应变具有快速方便的优点,故决定采用低应变反射波法进行辅助检测和验证。
2)低应变反射波法桩身完整性检测及分析
把1-1#桩桩头浮浆层破除后,用角磨机在桩中心及靠近12、23剖面处分别磨出几个平整点,然后采用低应变反射波法进行检测,检测结果如下图2:
从低应变反射波法检测结果看,该桩桩底反射明显,无缺陷反射波,波速为3687m/s,在3600~4000 m/s范围内,属正常波速,故可判定为完整桩。
根据上述两种检测结果及相互验证表明,1-1#桥桩桩身完整,完整性类别可综合判定为I类桩。
4.结束语
众所周知,作为桩基工程质量的检测,其首要目的是不管采用何种检测方法,只要在规范规程允许范围内,在实际工作中只要能准确、真实高效地检测出桩身质量,则不失为一种好方法。波动技术作为一门实践性很强的检测技术手段,广泛应用于包括桥桩在内的桩基工程质量检测,并取得良好的效果,但正如每一种检测方法均存在优缺点,均处于不断完善的过程,不可能包打天下,故检测技术人员应认真领会规范规程的原则和涵义,并在此基础上灵活运用各种检测方法,切实解决在实际检测工作碰到的各种具体问题,不断提高自身的理论素养和检测水平, 为检测技术的发展尽一份微薄之力。
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