向子明
(长沙理工大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410114)
桥梁桩基础施工中,受施工现场环境、施工工艺和施工机具等因素影响,桩身易出现各种缺陷,影响结构的安全和使用。桩基完整性检测方法主要有高应变法、低应变法、钻芯法和超声波透射法等。对于桩长较大的桩基,高、低应变法因能量的损耗和扩散等原因,通常无法得到较理想的结果。利用低应变法对大桩径桩基进行检测,因检测所用锤的重量有限,无法满足桩顶处较长持续时间的荷载作用需求,使声波无法达到桩底处充分发挥土阻力所需的位移量。钻芯法是有损检测,可能会对桩基砼造成局部损伤。超声波透射法属于无损检测,也不会受到桩长、桩径的影响。该文结合工程实践,研究基于超声波透射法的桥梁大直径桩基础缺陷检测技术。
超声波透射法通过换能器之间发射并接收超声波脉冲,由于超声波在不同介质中传播时声速、声幅等性质会发生变化,据此判断桩身是否存在缺陷并辨别缺陷类别。实际操作中需在桩基砼浇筑前在桩内部预埋一定数量的声测管作为检测通道,并在管内注满清水作为耦合剂。再将换能器分别置于声测管底部或顶部,在同一高度同步、匀速移动。根据所得超声波脉冲的声幅、声速、频率、时程等对桩基进行综合判定(见图1)。
图1 桩基超声波透射法现场检测示意图
超声波透射法的基本判断依据为声速、声幅和波形PSD,根据3种判据形成3种判别桩基缺陷形式的方法。
(1) 概率法。该方法主要利用检测所得声速、波幅值绘制声速-深度、波幅-深度曲线,运用数理统计的方法确定声速的临界值。计算公式如下:
v0=vm-λ·sx
(1)
(2)
(3)
式中:v0为临界点声速值;vm为n-k个数据的平均值;λ见表1;sx为n-k个数据的标准差;n为测点数;k为将全部测点的声速值由小到大依次排列,去掉明显不合理的低声速值后的数据个数。
表1 统计数据个数n-k与对应的λ值
(2) 半波幅法。该方法结合波幅-声速曲线,利用声幅值大小判别有无缺陷。林唯正教授经试验对比,提出声波下降至一半是确定砼有无缺陷的临界值。公式如下:
APi
(4)
(5)
式中:APi为声幅判定异常值;Am为所有测点波幅的平均值。
(3) 斜率法,又称PSD法。该方法由吴慧敏教授提出,用于针对实际施工中可能存在的声测管不平行而出现误判的情况。PSD实际为声时-深度曲线中异常处曲线的斜率和时间差的乘积,即:
(6)
实测数据中出现的异常值是判定桩基缺陷的依据,桩基缺陷位置的确定与声测管数量及布置有一定关系。
桩基所需声测管数量与桩径的关系为:
(1) 根据JGJ/T 106-2003《建筑桩基检测技术规范》,桩径800 mm以下(含800 mm)埋设2根声测管,桩径800~2 000 mm埋设3根声测管,桩径2 000 mm以上埋设4根声测管。
(2) 根据JTG/T F81-01-2004《公路工程桩基动测技术规程》,桩径1 000 mm以下埋设2根声测管,桩径1 000~1 500 mm埋设3根声测管,桩径1 500 mm以上埋设4根声测管(见图2)。
图2 声测管布置示意图(单位:根)
引入有效接收声场的概念。对于发射换能器,假设被测介质为均匀体,发射换能器的声场可视为以换能器为中心的半球面或球面(图3中以O点为中心),同理接收换能器的接收灵敏度指向性也能看作是以换能器为中心的同心圆(图3中以O′为中心),O、O′点的同心圆相交点的连线便为接收换能器的有效接收声场。各相交点连线满足椭圆公式:
图3 有效接收声场示意图
(7)
式中:a、b分别为以O、O′为焦点的椭圆的长半轴及短半轴。
当发射换能器和接收换能器处于某同一高度时,缺陷位置与有效接收声场可能有3种情况:处于OO’连线上(图4中C处)时,波幅明显降低,声时增长;处于图4中B处时,声幅有所降低,声时不变;处于有效接收声场之外(图4中的A点)时,声幅和声时均不发生变化。
图4 缺陷可能存在的不同位置
根据有效接收声场的原理,可通过声幅参量判断桩基缺陷的具体位置。图5为四川峨汉(峨眉—汉源)高速公路项目某桩基的实测数据,从中可见,1-2、2-3剖面在7.2 m处声幅明显下降,判断该范围内存在缺陷。
图5 现场实测数据
根据各声学参量判别桩基缺陷,需对桩基的完整性进行评价。JGJ/T 106-2003《建筑桩基检测技术规范》中桩身完整性分类见表2。
表2 桩身完整性分类
各剖面的声波分析结果通过声速、声幅、频率随深度的变化及现场采集波形的畸形程度综合评定(见表3)。
表3 桩身剖面的声波分析
超声波透射法和其他物理检测方法一样存在多解性,仅凭声速、声幅等参量无法判断桩基缺陷类型,还应结合工地现场的水文地质情况、施工工艺、桩基浇筑环境及砼灌注记录等综合判断。
以四川峨汉高速公路上桥梁工程为例,阐述各种桩基缺陷性质的辨别和确定。
根据JGJ/T 106-2003《建筑桩基检测技术规范》,检测数据中各检测剖面的声学参数均无异常,无声速低于低限值异常或某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常,无声速低于低限值异常的情况下,该桩基从整体评价可判定为完整桩。
某钻孔灌注桩,桩径1 500 mm,设计桩长21.8 m,实测桩长21.8 m,桩身埋设3根声测管,呈等边三角形分布。每个测面每隔500 mm进行逐点检测,声测管编号以正北方向顺时针开始第一根管记为1,1-2、1-3、2-3距离分别为880、920、1 120 mm。其超声波透射法检测结果见图6。
图6 21.8 m完整桩实例
由图6可知:该桩3个声测剖面的声速曲线均没有超过声速值临界点。深度8.1 m以下,1-2剖面中声速逐渐增大,2-3剖面中声速逐渐降低;到13.2 m左右时,1-2剖面中声速开始逐渐降低,2-3剖面中声速开始逐渐增大,该区段内1-3剖面声速没有发生明显变化,说明2号声测管有朝向1号声测管与2号声测管连线的外侧倾斜的现象,从8.1 m 处向里渐弯,到13.2 m处向外渐弯。从波幅曲线分析,1-2剖面20.2 m处、2-3剖面13.3 m处波幅存在异常并超出临界值,判断该处可能存在砼交接不良或有少量沉渣。从整体上评价,该桩可判定为完整桩。
某钻孔灌注桩,桩径1 500 mm,设计桩长35 m,实测桩长35 m,桩身埋设3根声测管,呈等边三角形分布。每个测面每隔500 mm进行逐点检测,声测管编号以正北方向顺时针开始第一根管记为1,1-2、1-3、2-3距离分别为890、1 080、1 050 mm。其超声波透射法检测结果见图7。
图7 35 m存在低强度区和沉渣的桩基实例
由图7可知:在沉渣部位,3个声测剖面的声速值和声幅值均超过临界点。要求施工方对各声测管内可能存在的泥浆砂土通水清理后进行复测,结果仍没有变化。因此,判定该桩桩底存在0.8 m左右沉渣。
由图7可知:该桩除存在桩底沉渣外,桩身部分完整。但桩顶部分存在波幅值超过临界点、声速值无异常的现象。受长期阴雨的影响,工地现场泥泞,作业环境很差,且调查得知该桩浇筑时并未为之后破除桩头留下足够桩长。因此,判断桩顶砼不完整,存在部分浮浆、沉渣、砼混合物,为桩顶低强度区。
某钻孔灌注桩,桩径1 500 mm,设计桩长31.9 m,实测桩长31.9 m,桩身埋设3根声测管,呈等边三角形分布。每个测面每隔500 mm进行逐点检测,声测管编号以正北方向顺时针开始第一根管记为1,1-2、1-3、2-3距离分别为1 000、9 600、1 010 mm。其超声波透射法检测结果见图8。
图8 31.9 m桩身存在夹泥缺陷的桩基实例
由图8可知:1-2剖面8.5 m左右声速、波幅异常。对现场地质状况、成孔方式、砼浇灌记录等进行调查,得知在砼浇筑过程中曾出现过泥浆护壁坍塌的情况。因此,判断该处可能存在夹泥缺陷。
某钻孔灌注桩,桩径2 200 mm,设计桩长40 m,实测桩长40 m,桩身埋设4根声测管,呈正方形分布。每个测面每隔500 mm进行逐点检测,声测管编号以正北方向顺时针开始第一根管记为1,1-2、1-3、2-3、1-4、2-4、3-4距离分别为1 400、1 900、1 400、1 400、2 000、1 300 mm。其超声波透射法检测结果见图9、图10。
由图9、图10可知:1-3、2-3、2-4、3-4剖面在27.5 m左右的声参量出现异常,声速值和声幅值均超过临界值。结合施工实际情况及地质情况,得知该桩临近河流,成孔期间曾遇到汛期,出现过坍塌现象,虽在浇筑前得到及时清理,但该处土质含水量较高。因此,判断该处可能存在离析缺陷。
图9 40 m桩身存在离析缺陷的桩基实例(1)
图10 40 m桩身存在离析缺陷的桩基实例(2)
某钻孔灌注桩,桩径1 500 mm,设计桩长27 m,实测桩长27 m,桩身埋设3根声测管,呈等边三角形分布。每个测面每隔500 mm进行逐点检测,声测管编号以正北方向顺时针开始第一根管记为1,1-2、1-3、2-3距离均为1 000 mm。其超声波透射法检测结果见图11。由图11可知:3个声测剖面在22.3 m左右的声速、波幅异常,均超过临界值。经过复测后检测结果依旧如此。结合地质状况、成孔方式、砼浇灌记录及现场情况,判断该处可能存在断桩现象。
图11 27 m桩身存在断桩缺陷的桩基实例
某钻孔灌注桩,桩径1 500 mm,设计桩长50 m,实测桩长50 m,桩身埋设3根声测管,呈等边三角形分布。每个测面每隔500 mm进行逐点检测,声测管编号以正北方向顺时针开始第一根管记为1,1-2、1-3、2-3距离分别为1 100、1 050、1 020 mm。其超声波透射法检测结果见图12。由图12可知:在30 m左右位置3个声测面的声参数均出现异常。考虑到当时因汛期原因导致检测环境恶劣,在施工方对现场进行清理并重新在声测管内注满清水后再进行复测,结果见图13。由图13可知:原缺陷部位声参数均正常,考虑到复测前现场降水量较大,等汛期过后对该桩进行第三次检测。第三次检测结果与第一次的结果一致,推断该桩在30 m左右位置存在断桩缺陷。第二次检测结果时因大量降水使断桩部位有水充填,导致检测结果与实际情况大相径庭。
图12 50 m桩身存在断桩缺陷的桩基实例(1)
图13 50 m桩身存在断桩缺陷的桩基实例(2)
引入有效接收声场的概念,在实际工程中利用超声波透射法对桥梁桩基进行检测,结合现场的水文地质情况、施工工艺、桩基浇筑环境及砼灌注记录等综合判断桩身的完整性。工程实例检测结果表明,针对桩径大、深度大的桥梁桩基完整性检测,超声波透射法相较于其他方法具有一定优越性,对桩基检测能起到指导作用。