声波透射法在高寒地区桩身检测中的应用

杜仕朝,康春霞,邬晓光

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064;2.西安建筑科技大学 管理学院,陕西 西安 710055)

声波透射法在高寒地区桩身检测中的应用

杜仕朝1,康春霞2,邬晓光1

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064;2.西安建筑科技大学 管理学院,陕西 西安 710055)

为了探讨声波透射法在高寒地区特殊气候条件下的适用情况,使用声波透射法对西藏自治区某大桥新建工程基桩进行了完整性检测,并与桩基钻芯法的结果进行对比,结果表明声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中检测全面,检测结果安全可靠.

高寒地区; 桥梁; 桩基检测; 声波透射法

进入21世纪以来,随着全国基础设施建设的逐步完善,西部地区修建了不少大、中型桥梁.钻(冲、挖)孔灌注桩被广泛应用于桥梁的基础工程中.因为桩基础施工受地质条件、施工工艺以及施工设备的影响比较大[1],所以完工后必须进行检测.由于桩基础属于隐蔽工程,工程上常采用声波透射法进行检测.但目前该方法在高寒地区桩身完整性检测中的适用性研究依旧是一个空白[2].因此,如何在地质条件多变、施工及检测设备相对落后、气候恶劣的西藏地区对桥梁桩身进行准确的完整性检测需要进行探索和研究.

1 声波透射法的基本原理

声波透射法工作的基本原理是根据声波在不同传播介质中所表现出来的特性来判断桩基质量的好坏.声波在桩基的传播过程中,会在混凝土截面产生较多的折射波和散射波,这两种波叠加后会进一步造成声能的损失.混凝土桩基中较大的缺陷会改变声波原本的直线传播,使传递路径和传递时间增大,波幅与频率减小.工程实际检测会通过相应参数和工程实践经验相结合来判定桩基是否存在缺陷[3].

1.1 混凝土质量对声学参数的影响

混凝土灌注桩在施工过程中,由于施工难度大、工艺复杂、隐蔽性强容易造成混凝土空洞、裂缝、夹杂物等缺陷.声波会携带混凝土材料性质、内部结构以及组成信息,通过接收声波的各种声学参数量值及变化来推断混凝土桩基的健康状况.

仪器接收到的声波波幅能够说明混凝土对声波的削弱程度.在一定的程度上若接收到的声波波幅较低,则说明声波穿过混凝土时被削弱的越多.因此当桩基的某一段混凝土存在强度不足、蜂窝及发生离析等缺陷时,接收到的声波波幅会有很大的下降[4].

在混凝土存在缺陷处,仪器发射出来的声波会发生折射和反射,改变传播路径,使仪器接收到的波的时间不尽相同,使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波,导致波形畸变.事实证明,凡超声脉冲在传播过程中遇到缺陷,其接收波形往往产生畸变,所以波形畸变程度可作为判断缺陷程度的参考依据[5].

本文桩身缺陷检测以声速临界值、波幅临界值以及PSD(Product of Slope and Difference)判据进行综合判定.对于由声速、波幅衰减确定的异常区,结合PSD曲线进行综合分析,采用斜率法作为辅助异常判据.

1.2 高寒地区气候对声学参数的影响

高寒地区温度、气压等独特气候条件都会对超声波波速、波幅、频率产生一定的影响.其中,温度对超声波波速的影响是值得我们注意的,以20 ℃时的声速作为标准声速,在-40 ℃～40 ℃内,声速的修正系数为0.92～1.05.同时恶劣的气候也对施工人员的施工质量提出了严重的考验.因此加强对声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中的应用研究尤为重要[6].

2 工程实例

2.1 工程概况

以西藏自治区某大桥新建工程基桩完整性检测为例,说明声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中的应用.该项目采用一级公路标准建设,大桥全长907 m,设计速度80 km/h,桥面宽度为1.50 m(人行道)+8.75 m(行车道)+1.00 m(隔离带)+8.75 m(行车道)+1.50 m(人行道).上部结构形式为30 m×30 m预应力混凝土先简支后连续箱梁,下部为柱式墩、肋板式台,钻孔灌注桩基础.该大桥桩基布置如图1所示.

图1 某大桥桩基布置图Fig.1 The layout of a bridge pile

检测仪器设备采用武汉岩海RS-ST01C数字超声仪,包括双孔换能器、孔口深度滑轮.数据自动连续采集.

根据桩身混凝土的均匀性,是否存在缺陷及缺陷的严重程度,将桩身的完整性按四类划分:

Ⅰ类桩: 桩身完整;

Ⅱ类桩: 桩身有轻微缺陷,不会影响桩身结构承载力的正常发挥;

Ⅲ类桩: 桩身存在明显缺陷,对桩身结构承载力有影响;

Ⅳ类桩: 桩身存在严重缺陷.

该大桥新建工程试验使用声波透射法总共检测灌注桩数量为20根,其中Ⅰ类桩18根,占所测桩数的90%;Ⅱ类桩0根;Ⅲ类桩0根;Ⅳ类桩2根,占所测桩数的10%.

2.2 桩基的检测对比

西藏地区特定的高寒气候会对检测仪器设备产生一定的影响,使得检测结果有可能产生偏差.为了检验声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中的可靠性,经与施工相关单位协商以后对此批桩基中的三根进行钻芯法检测并进行上述结果的校验,通过声波投射法和钻芯法检测结果的对比来回答声波投射法在高寒地区桩身完整性检测中的适用性问题[7-8].

0-b号桩基的桩长为40 m,桩径为1.2 m,其声波透射法下的波形如图2所示.

该桩三个检测剖面声速、波速曲线各测点测值离散性不大,并且可以由PSD法来判定桩基的类型;三个剖面实测声速平均值在4.3～4.6 km/s之间,属于混凝土声速的正常取值;其声速、波幅、PSD取值均在临界线的范围之内.根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)、《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECSH 21:2000)相关规定,该桩实测数据符合Ⅰ类桩的特征,该桩桩身完整性等级判定为Ⅰ类.

该桩经钻芯验证,混凝土芯样连续完整,呈柱状,表面光滑,胶结好,粗细骨料分布均匀,因此该受检桩的桩身完整性类别为Ⅰ类.

2-a号桩基的桩长为50 m,桩径为1.8 m,其声波透射法下的波形如图3所示.

AB剖面在40.5 m至桩底范围声速和波幅显著降低,PSD曲线也发生明显的异常,波形畸变明显,但依旧可以接收到声波信号; BC剖面在42 m至桩底范围声速显著降低; AC剖面下半段范围声速显著发生变化.三个剖面在缺陷位置声测线声速明显偏离声速正常取值范围,异常声测线在桩底以上10 m范围连续分布,且存在同高程缺陷.根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)、《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECSH 21:2000)相关规定,该桩实测数据符合Ⅳ类桩的特征,该桩桩身完整性等级判定为Ⅳ类.

该桩经钻芯验证,40.5～50.0 m处桩身混凝土芯样表面沟槽连续、蜂窝严重,局部芯样胶结差.因此该受检桩的桩身完整性类别为Ⅳ类.

25-c号桩基的桩长为45 m,桩径为1.8 m,其声波透射法下的波形图如图4所示.

AB剖面在23.5～24.0 m处声速、波幅均发生明显的异常,声速甚至接近了0; AB、AC、BC三个检测平面在44.0 m至桩底范围内声速和波幅严重异常,实测波形与正常声测线相比波幅和声速严重异常PSD曲线也发生明显的异常,波形严重畸变.根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)、《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECSH 21:2000)相关规定,该桩实测数据符合Ⅳ类桩的特征,该桩桩身完整性等级判定为Ⅳ类.

图2 0-b号桩各剖面声速、声波、PSD曲线图Fig.2 Graphs of sound velocity,sound wave,and PSD of each cross section of 0-b pile

图3 2-a号桩各剖面声速、声波、PSD曲线图Fig.3 Graphs of sound velocity,sound wave,and PSD of each cross section of 2-a pile

图4 25-c号桩各剖面声速、声波、PSD曲线图Fig.4 Graphs of sound velocity,sound wave,and PSD of each cross section of 25-c pile

该桩经钻芯验证,在23～24 m处桩身离析松散、严重蜂窝、连续沟槽;在桩底1 m范围内混凝土芯样表面沟槽连续、蜂窝严重,局部芯样胶结差,桩底沉渣严重.因此该受检桩的桩身完整性类别为Ⅳ类.

4 结 论

结合西藏自治区某大桥新建工程基桩完整性检测的具体实践,验证了声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中的适用性,总结了高寒地区声波透射法在桩身完整性检测中的应用特点:

(1) 声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中能够做到检测全面、细致,结果准确可靠的基本要求.

(2) 声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中并不会受到桩长和桩径的约束,对混凝土存在的缺陷能够做出正确的判定结果.

(3) 声波透射法在高寒地区桩身完整性检测中可对桩的各个截面进行检测,包括桩顶低强区和桩底沉渣情况.

[1] 孙林,檀永刚.基于有限元的桥梁计算分析与加固方案设计[J].沈阳大学学报:自然科学版,2014,26(5):400-403.

(Sun Lin,Tan Yonggang.Bridges Computational Analysis and Reinforcement Design Based on Finite Element[J].Journal of Shenyang University: Natural Science,2014,26(5):400-403.)

[2] 赵亚飞,周建庭,吴恒,等.提高高寒地区桥梁混凝土结构耐久性的设计技术探讨[J].公路,2012(8):106-110.

(Zhao Yafei,Zhou Jianting,Wu Heng,et al.Discussion on Improving the Design of Bridges in Cold Areas of the Durability of Concrete Structure[J].Highway,2012(8):106-110.)

[3] 陈凡,徐天平,陈久照,等.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2014:13-100.

(Chen Fan,Xu Tianping,Chen Jiuzhao,et al.The Detection Technology for the Quality of Pile Foundation[M].Beijing: China Architecture & Building Press.2014:13-100.)

[4] 王述红,张鑫,赵振东,等.声波透射法检测大直径灌注桩试验研究[J].东北大学学报:自然科学版,2011,32(6):868-870.

(Wang Shuhong,Zhang Xin,Zhao Zhendong,et al,Study on Cross-Hole Sonic Logging Detecting Pouring Piles of Large-Diameter[J].Journal of Northeastern University: Natural Science,2011,32(6):868-870.)

[5] 韩小敏.声波透射法在基桩质量检测中的应用研究[D].武汉:武汉理工大学,2007:23-24.

(Han Xiaomin.Logging in the Test of Foundation Piles Quality[D].Wuhan: Wuhan University of Technology,2007:23-24.)

[6] 孙钟,李全育,刁海波,等.温度对超声波检测缺陷定位定量的影响[J].无损检测,2011,33(4):26-29.

(Sun Zhong,Li Quanyu,Diao Haibo,et al.Temperature Effect on Quantitative Ultrasonic Testing of Defects[J].Nondestructive Testing,2011,33(4):26-29.)

[7] 余安,汤洪志,刘朋梅,等.声波透射法和反射波法在混凝土灌注桩缺陷检测中的对比研究[J].工程地球物理学报,2015,12(1):111-116.

(Yu An,Yang Hongzhi,Liu Pengmei,et al.The Research on Concrete Filling Pile Defect Detection by the Analysis and Comparison of Ultrasonic Transmission Method and Reflected Wave Method[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2015,12(1):111-116.)

[8] 刘育先.声波透射法与钻芯法两种桩基检测方法的对比[J].广东土木与建筑,2010(3):61-62.

(Liu Yuxian.The Cross Hole Sonic Logging Compared with the Core Drilling Method[J].Guangdong Architecture Civil Engineering,2010(3):61-62.)

【责任编辑: 肖景魁】

Application of Crosshole Sonic Logging on Pile Integrity Testing in Alpine Region

DuShizhao1,KangChunxia2,WuXiaoguang1

(1.College of Highway Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China; 2.School of Administration,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

In order to explore the application of the crosshole sonic logging in alpine region,the pile integrity testing of a bridge project in the Tibet Autonomous Region was processed.Compared with the results of core drilling method,the crosshole sonic logging is a comprehensive,reliable method to test pile integrity in alpine areas.

alpine region; bridge; pile foundation detection; crosshole sonic logging

2015-04-07

杜仕朝(1991-),男,河北邢台人,长安大学硕士研究生; 邬晓光(1961-),男,湖北黄冈人,长安大学教授,博士生导师.

2095-5456(2015)04-0331-05

U 4-9

A