低应变法和声波透射法检测灌注桩桩身完整性效果分析

刘轩雄

(浙江有色地球物理技术应用研究院,浙江 绍兴 321000)

低应变法和声波透射法检测灌注桩桩身完整性效果分析

刘轩雄

(浙江有色地球物理技术应用研究院,浙江 绍兴 321000)

结合2个大直径混凝土灌注桩的工程实例,分析了声波透射法和低应变反射波法在实际应用中的准确性,比较了两种方法的优缺点,提出应采用多种方法相结合进行桩身完整性判断,以确保判定结果的准确性和科学性。

低应变法；声波透射法；灌注桩

1 概 述

随着国家基础建设的快速发展,众多的高楼、桥梁等基础工程采用大直径钻孔灌注桩的地基基础形式。此类桩由于是在水下钻孔和灌注混凝土,在施工过程中经常遇到工程地质问题如地下水渗流、流砂层、淤泥层,引起塌孔和缩孔,以及混凝土灌注过程中出现停顿、拔管过快或导管拔空等原因,使桩容易产生离析、夹泥、断桩、疏松不密实等桩身缺陷。

为了确保工程桩的施工质量,目前常采用低应变反射波法进行质量检测,低应变法能有效控制桩身中浅部的桩身质量,但对深部缺陷反应不灵敏。当桩直径过大或桩长过长(L/D>30)时,往往最有效的方法就是采用预埋管超声法来检测桩身质量。

声波透射法检测具有仪器轻便、抗干扰能力强、观测准确度高、结果直观可靠等优点,还可以在桩身中上下移动测试,详细查明桩内部缺陷与性质、深度位置、范围大小、严重程度等情况,因此，超声法检测大直径深长桩应该是最切实可行的方法。由于声波透射法的灵敏度高,对声测管附近的(小范围的夹泥、离析)缺陷反应较为敏感,但它对桩身上的检测为点测，对桩身上轻微的开裂不能完整反映。因此，声波透射法也有其不足之处,完全有必要将声波透射法和低应变法相结合来评定灌注桩的桩身完整性。

2 低应变反射波法和声波透射法方法原理及技术

2.1 低应变反射波法原理[1-2]

低应变反射波法的理论依据是弹性波理论。桩的动力特性满足一维波动方程：

(1)

式(1)中c是弹性波纵波传播速度,它是由材料常数ρ和E所决定的常值：

c2=E/ρ

(2)

嵌入土(岩)中的基桩,可视为在阻尼介质中的一维弹性杆件,当桩顶受一冲击力F(t)作用时,桩顶质点因受迫而振动,产生的应力波沿桩身向下传播,根据弹性波动理论,弹性波在桩体中传播时,桩身的某些缺陷会造成ρ(密度)、S(面积)、V(波速)中任意变化而引起Z(波阻抗)差异,在此波阻抗差异面将发生反射,并沿反方向传播至桩顶。检测过程中,在桩顶安置高灵敏度传感器,接受桩顶质点的振动信息,通过分析反射波的相位、振幅及频率等参数,取得反射波的旅行时间,综合判别桩的完整性、质量及缺陷的部位及程度,对桩结构完整性及质量作出综合评价。其时域曲线见图1。

图1 桩身阻抗变化时域曲线

2.2 声波透射法原理

声波透射法是利用频率很高的超声波(10～500 kHz)作为信息的载体,来对混凝土构件进行探测的方法。因采用的频率高,波长短,故该方法的分辨率高,对缺陷的反应灵敏。当混凝土的组成材料、工艺条件、均质性以及测试距离都固定时,超声波在其中传播的速度及首波的幅度和接收信号的频率等声学参数的测量值应该基本一致。如果混凝土中局部存在离析、夹泥、断裂、空洞和不密实现象等缺陷时,则在缺陷处声阻抗率减小,波传播速度降低,还会产生波的反射和绕射,与正常混凝土相比较,就出现声时偏长及波幅和频率降低等异常现象。根据此类异常的大小、形态,结合工程地质条件就能综合判断混凝土中缺陷的性质、位置、范围大小及严重程度。其声时波形见图2。

图2 声波透射法原理及正常或缺陷部位波形示意图

超声波测试原理实质上是将电能转化为机械能,再由机械能转化为电能的一种能量转换过程。具体说是由一声源信号发生器(压电材料制成的发射换能器)发射一电脉冲,激励晶片振动,发射出超声波在混凝土中传播,后经接收换能器接收,把声能转换成微弱的电信号发送至接收系统,经信号放大后在屏幕上显示出波形图,从图中读出首波幅值(dB)和初至时间(t),由已知的探测距离(L)便可计算出超声波在混凝土中传播的纵波速度(Vp)。Vp=L/t。

根据混凝土中波速波幅的变化情况,以及工程中桩混凝土试块波速强度的实验关系(Vp-Rc)回归公式,即可对桩基混凝土的均质性和强度作出分析评价,发现局部低速异常和波幅降低异常就可以作为缺陷存在的标志。

声波透射法桩身质量分析包括桩身完整性和缺陷的分析及桩混凝土强度的分析。为确定一个桩有无缺陷异常存在,提出了以下分析方法[3-4]。

1)波速判据分析,即以波速的小概率Vp-2Sv作为判断有无缺陷异常的临界值,其中：

平均波速

(3)

波速标准差

(4)

式中:vi(j)为第j点纵波速度;vm(j)为平均波速；Sx(j)为波速标准差；n为测点数。

Sv的大小也是桩混凝土均质性好坏的一项评价指标。

2)波幅的判据分析 波幅(衰减量)比声速对桩身缺陷反应更灵敏,采用接收信号能量平均值的一半作为判断缺陷的临界值。即

Api(j)

(5)

式中:Api(j)为衰减量平均值(dB)；Am(j)为第j点的衰减量(dB)。

3 工程实例分析

3.1 实例1

某工地的混凝土灌注桩,桩径为1 800 mm, 混凝土强度为C25,桩长为61.1 m。图3为声波透射法检测结果,图4为低应变法检测结果,图5为开挖和钻孔取芯验证的结果。声波透射法曲线显示6个剖面相同位置均出现声速、声幅明显低于临界值,PSD曲线明显突变现象,从曲线可以判定桩顶下5.8～7.0 m处明显缺陷；低应变曲线在桩顶下6.1 m左右同相起跳,从曲线上判定为6.1 m 左右轻微缺陷。

图3 声波透射法检测结果一

图4 低应变法检测结果一

图5 开挖和钻孔取芯结果

事后从施工单位了解到该桩在浇筑过程中,由于工程器械原因,在浇筑到桩顶下6.0 m左右中断了2 h,导致下部混凝土凝固,无法翻浆。

之后进行取芯验证,芯样结果为5.7～6.3 m芯样粗骨料偏少,表面粗糙,易磨损。开挖后发现在5.8～6.8 m处桩身内部有大量夹泥,桩周可见大量泥沙进入桩身混凝土。开挖、钻孔取芯结果与声波透射法和低应变相吻合。

由此例看出,对于全断面的缺陷桩,声波透射法能较好地反应桩身缺陷信息,而低应变反射波法反映的信息不能准确判断缺陷严重程度。

3.2 实例2

某工地的混凝土灌注桩,桩径为1 800 mm,混凝土强度为C25,桩长为70.0 m。图6为钻孔取芯的结果，图7为低应变法检测结果，图8为声波透射法检测结果。从声波透射法检测的数据看,在桩顶下16.8～17.4 m处,3个剖面的声速、声幅明显低于临界值,PSD曲线明显突变,从曲线上可以判定该处明显缺陷；低应变曲线上无任何缺陷信息反应,根据曲线可定为桩身完整的Ⅰ类桩。

图6 钻孔取芯结果

图7 低应变法检测结果二

从施工单位的施工资料上了解到该桩在成孔浇筑过程中均良好。之后进行取芯验证,芯样结果显示16.8～17.4 m处并没有出现离析、夹泥或严重蜂窝等缺陷。由此例看出,声波透射法在一定程度上将缺陷信息扩大了。

图8 声波透射法检测结果二

4 结 语

声波透射法和低应变反射波法检测桩身完整性有着不同的特点和优势。声波透射法不受场地限制,测点间隔设置一般为100 mm，加密为50 mm，甚至更小,在预埋声测管长度覆盖全桩长的前提下,缺陷判定上比其他方法更全面；低应变反射波法检测操作简单,检测速度快,费用低,无须预埋声测管,比较普及。

两种检测方法也存在各自的缺点和局限。声波透射法成本较高,测试存在盲区,对轻微缺陷反应过度。低应变反射波法检测桩身完整性由于受激振能量、桩身材料阻尼、桩周土的性状等因素影响,对于超长桩存在测试盲区,对桩身缺陷的位置及缺陷程度只能做出大致判断。

故在工程实践中要结合地质资料、施工资料、监理旁站记录,并通过声波透射法和低应变法检测结合,甚至和高应变、钻孔取芯等检测方法结合,才能更加准确地判定混凝土灌注桩的质量。

[1] 陈凡,徐天平. 基桩质量检测技术[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2003．

[2] 罗骐先,王五平.桩基工程检测手册[M].北京:人民交通出版社,2010．

[3] 中国建筑科学研究院.JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014．

[4] 陕西省建筑科学研究设计院,上海同济大学.CECS 21∶2000超声法检测混凝土缺陷技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2000．

Effect Analysis on the Integrality of the Caisson Pile Fust by Testing using the Method of Low Strain and Acoustic Transmission

LIUXuanxiong

2017-02-17

刘轩雄(1984—),男,浙江兰溪人,工程师,从事物探、桩基检测等工作。

TU473.1+4

B

1008-3707(2017)03-0029-06