在役桥梁水下桩加固施工质量检测方法探讨

李 明,路 璐

(苏交科集团股份有限公司,南京 210017)

桩基础是桥梁的主要受力构件,承受着上部结构传来的全部荷载,其性能、状态会改变桥梁的整体承载能力,影响到桥梁的运营安全。在役桥梁的水下桩基础会出现各种病害,首先,由于施工质量把控不严等原因,水下混凝土桩基础会出现错台、偏心、倾斜、孔洞、露筋等先天性病害;其次,水下桩基础受水流冲刷、侵蚀及人为因素(如船撞)等影响,可能产生混凝土开裂、破损、淘空等病害,进而影响桥梁整体结构的安全性与耐久性[1]。

在我国现行的桥梁检测评定标准中,桥梁水下桩加固后施工质量的检测方法较少。因此有必要对在役桥梁水下桩加固后施工质量的检测技术进行研究,为水下桩加固质量验收提供参考依据。

1 在役桥梁水下桩无损检测技术现状

1.1 常用桩基检测技术

常用桩基检测技术如表1 所示。外观检测对于损伤部位、损伤程度、裂缝分布等可以做出宏观描述,为后期的深入研究奠定基础[2]。但在多数情况下,仅靠外观检测难以对结构内部的损伤程度做出判定。出于安全和成本的考虑,在受损桥梁检测中也不能贸然使用荷载试验类方法[3]。一些无损检测方法[4]难以提供关键性数据,如回弹方法仅提供混凝土表面强度的分布信息,无法检测桩体内部的损伤[5];地质雷达可以用于桩基混凝土密实性探测,对内部空洞响应敏感,但是受钢筋遮蔽影响,也无法反映强度变化及细微开裂[6]。在役桥梁的水下桩缺陷检测是一个工程难题,桩基检测中最常使用的声速管检测(超声透射法)也无法用于水下桩[7]。小应变类测桩方法仅适用存在自由端的桩基,对存在上部结构的墩柱不适用[8]。旁孔法可用于存在上部结构的在役桥梁桩基,但需要在桩旁钻孔,难以用于水下桩基检测[9]。国内外针对既有桩基检测的研究思路,有一部分集中在基于原有桩基检测技术,改进观测方案和数据处理方法,如桩侧激振法[10]、双速度法[11]以及基于侧壁R 波波速的检测技术[12]等。

表1 常用桩基检测技术

1.2 桥梁水下桩检测技术

国内外桥梁水下桩的无损检测技术[13]如表2 所示。

2 成桥桩检测技术

桩声波成像法是基于声波散射偏移理论,专为具有上部结构(如盖梁、承台、建筑物等)的桩基检测研发的成桥桩检测技术方法。檀军锋等[14]通过理论分析和数值模拟手段对PST 技术的原理进行阐述,并开展桩基的桩长检测试验,与旁孔透射波法的计算结果进行对比验证。PST 技术已多次在实际桩基工程中得到运用,如浙江宁波某桥35 根桩的检测中,查出6 处桩基水下部位存在损伤;福建某码头被船撞击后受损,对该码头桩基进行检测,成功排查出2 根桩基的4 处破损。在此基础上,进一步探讨PST 技术用于在役桩柱式桥梁水下桩加固施工质量评价的可能性,通过工程实例,探讨对于桩基完整性评价的效果,归纳总结PST 反演图像中对缺陷等的判定方法、判断原则与图像特征。

2.1 PST 基本原理

PST 基本原理示意如图1 所示。

图1 PST 基本原理示意

对于在役桥梁桩基而言,在其桩侧激发弹性波,弹性波在具有上部结构的桩基中进行传播,桩基内存在多个弹性波阻抗界面,会形成直达波、多组反射波与透射波,并交汇在一起,构成在空间内叠加的上行波场和下行波场。采用PST 技术,在桩侧布置观测系统进行弹性波激发与接收,利用多道数据中波场内的上行波组与下行波组的弹性波同向轴斜率的差异,通过频率-波数域转换进行波场分离,并采用偏移成像技术定位反射界面。该技术可用于评价桥梁水下桩加固后的施工质量。

2.2 成桥桩检测技术数值模拟

采用Tesseral 2-D 全波场模拟软件,模型为具有上部盖梁的桩基,模型桩长设为29 m。地面设置为坐标零点,桩底位置为-20 m;缺陷位置为-9 m,缺陷厚1.5 m;9 m 处存在盖梁,盖梁厚3 m;炮点位置为8 m,偏移距为0.5 m;14 道检波器从上至下排列,道间距为0.5 m;混凝土波速设为4 km/s,缺陷处波速为3 km/s。桥桩模型示意如图2 所示,道集模拟记录如图3 所示。

图2 桥桩模型示意

根据道集模拟记录可清晰地分辨出直达波及其缺陷、桩底的反射波同相轴。通过读取直达波走时,计算得到混凝土波速为4 km/s;通过读取缺陷、桩底的反射波走时及相速度,计算得出桩长为29 m、缺陷位置为-9 m,与模型一致。

3 现场检测的技术要求

3.1 仪器设备要求

成桥桩检测系统主要包含成桥桩检测仪和接收信号用的检波器拖缆,成桥桩检测系统组成如图4 所示。

图4 成桥桩检测系统组成

3.2 现场数据采集要求

3.2.1 现场布设的要求

成桥桩检测时存在车辆通过等外界干扰,为便于解析结果并排除干扰,同一根桩应设置多组排列形式,采取多排列对比分析。由于系梁的存在导致波场复杂[15],应避开系梁布设排列,每根桩设置2～4 组排列,桩基排列设计(俯视图)如图5 所示,俯视图中数字为排列序号。具有系梁结构的桩基中,两边桩基布设3 组排列,中间桩基布设2 组排列。而单桩则可以布设4 组排列,必要时可加密或有针对性地进行布设排列。

图5 桩基排列设计(俯视图)

3.2.2 震源激发的要求

基于降低波场分离难度的目的,须保证激发点位于检波器上方,从而使入射波位于下行波场,反射波位于上行波场,可采用锤击震源进行激振,激发点(震源)设置于检波器串上端,多次激发采集以保证数据质量,必要时可进行信号叠加。

3.2.3 信号采集的要求

采用多道检波器串以记录桩体中的弹性波数据,从而达到分离波场、获取相速度的目的。数据中道数越多越容易追踪同相轴,从而便于分离上下行波场。为防止数据处理时出现假频,采用16 道检波器串固定在桩身侧面进行信号接收,并使用隔音棉包裹以减少声波干扰。

4 数据处理关键技术

4.1 数据处理流程

数据处理流程如图6 所示,各流程内容如下。参数设置:将原始数据导入工程文件,并根据现场记录编辑准确的空间坐标参数。

图6 数据处理流程

预处理:对原始数据进行初步处理,确定原始波场,包含带通滤波或带陷滤波、切除干扰波、直达波速读取、时间校正等操作。

波场分离:将原始波场区分为上行波场(反射波场)和下行波场,并进行方向滤波和时间增益处理。

偏移成像:根据上行波场和下行波场进行合成孔径偏移成像,将波形转化为更直观的图像成果。

4.2 波场分离及方向滤波技术

波场分离及方向滤波技术是数据处理的核心。为避免结果中出现假象,须先采取波场分离功能将不同方向的波分开,并采取方向滤波技术滤除干扰波、突出反射波,再进行偏移成像计算。利用二维FFT(fast Fourier transform,快速傅里叶变换),计算公式如式(1)和式(2)所示,将时间-偏移距(TX)域信号转变成频率-波数(F-K)域信号。根据上下行波场的视速度相反原则,实现波场分离,原始波场如图7 所示,上行波场如图8 所示,下行波场如图9 所示。根据混凝土波速区间,设置滤波参数,实现方向滤波,频率-波数(F-K)域滤波示意如图10 所示。

图7 原始波场

图8 上行波场

图9 下行波场

图10 频率-波数(F-K)域滤波示意

式中,F为傅里叶变换;ω为频率;k为波数;f为函数;t为时间;x为位置坐标。

4.3 合成孔径偏移成像

合成孔径偏移成像公式[16]如式(3)所示。

式中,α为散射强度;r为距离;M为记录中的道数;xj为j点的位置坐标;x0为发射点坐标;va为平均波速。

采用合成孔径成像技术时,可利用波场分离及方向滤波后的波场数据与波速扫描给出的混凝土速度,定位波阻抗界面,并以图像的形式直观展现。

5 PST 检测结果的工程解释要点

5.1 PST 检测成果图像

典型PST 检测成果如图11 所示。图像中纵坐标是深度(基于不同的零点设置时会产生相应变化),以不同条纹表征反射界面的位置及反射能量的强弱。基于偏移成果图及相关资料(如设计图纸、地勘资料等),工程解释的重点是对反射界面进行判读,分辨桩底、系梁、缺陷、地层等反射界面,最终对桩基质量进行评价。基于大量在役桥梁的桩基检测试验研究,并根据反射界面在偏移图像中的特点,总结出相关工程解释要点。

图11 典型PST 检测成果

5.2 桩基结构反射的判定

桩底的判定是偏移图像解释的基础,桩长计算是成桥桩检测中最重要的内容之一。桩底界面的判定基于3 个特征:桩底反射界面会清晰显示在偏移图像中,条纹较多,能量较强;对比不同测线的偏移图像,桩底反射界面的深度应近似;解释判定不应脱离工程实际,应参考设计及施工资料。

系梁反射界面的判定基于4 个特征:系梁反射界面的能量比较强,这是由于系梁结构距观测系统较近所致;对比不同测线的偏移图像,系梁反射界面的位置较接近;同一系梁相关桩的位置应较接近;参考设计及施工资料,系梁反射界面深度接近资料记录位置。

5.3 缺陷反射的判定

缺陷(包含前期施工缺陷及后期桩基受各种因素影响导致的损伤)是工程解释的重点与难点。缺陷具有局部特性,发育的形状、位置和范围存在差异,可针对某个排列进行解释。缺陷的判定基于2 个特征:与桩底反射相比,缺陷反射界面的能量较强;同一根桩的相邻测线在同一位置有相同反射界面。典型缺陷反射如图12 所示。

5.4 地层界面反射的判定

某些刚度变化较大的地层界面也会体现在偏移图像中,这是由于桩基与地层的相互作用导致接触处的桩体波阻抗发生变化。地层反射界面的判定基于2 个特征:地层反射界面具有区域相关性,相邻几根桩在相同的埋深上都存在反射界面,且反射强度接近;参考地勘资料,这是解释地层反射的重要依据。由图12 可以看出,近似在同一深度范围内都有反射界面出现,参考地勘资料,推测此为从土层进入岩层的反射。

6 现场试验

6.1 在役桥梁水下桩病害情况

在某桥的河道降水清淤过程中,发现水下部位桩基出现较为严重的混凝土缺损和缩径病害,在役桥梁水下桩病害现场情况展示如图13 所示。

图13 在役桥梁水下桩病害现场情况展示

6.2 在役桥梁水下桩加固方案

该桥桩基的混凝土缺损严重、缩径明显,桩基主筋已完全外露,存在极大的安全隐患,因此采用桩基外包混凝土的方式处理。具体通过系梁底部竖向植筋的方式设置桩基竖向钢筋,环向设置24 根竖向钢筋,对桩基进行植筋,植筋竖向间距为15 cm,水平向每层植入12 根,呈梅花状布置。布置环向箍筋,竖向间距为15 cm。设置壁厚10 mm钢护筒,浇注20 cm 厚C30 混凝土进行桩基外包加固。

6.3 桥梁水下桩加固后施工质量检测

采用成桥桩检测技术对该桥进行检测,检测时按照所述方式在柱身侧壁布置测线。PST 数据采集现场如图14 所示,偏移成像结果如图15 所示。

图14 PST 数据采集现场

图15 偏移图像成果

图像零点位置为系梁上界面,检测结果为:3 条测线在0 m 处均有明显反射,对比现场资料后判定为系梁反射;3 条测线在-5 m 处均有明显反射,对比现场资料后判定为加固区下缘反射或水底反射;3 条测线在-22.5 m 处有反射,对比现场资料后判定为地层反射;桩底反射明显,桩长为28 m;加固区域反射不明显,说明加固质量良好。综上所述,PST检测方案对桥梁水下桩加固后施工质量的检测具有高度可行性,丰富了在役桥梁桩基的无损检测手段。

6.4 某缺陷桩PST 技术与CT 技术现场结果对比

PST 现场检测遵循所述标准,于单桩4 个面布置测线,缺陷桩基PST 检测结果如图16 所示。

声波CT(computed tomography,计算机层析成像)技术检测区域为截面布置,于PST 检测认定缺陷处,紧贴桩基表面布置32 道检波器,完成自激自收观测,缺陷桩基缺陷处声波CT 检测结果如图17 所示。

图17 缺陷桩基缺陷处声波CT 检测结果

由图17 可知,左侧存在低速区域,为松散混凝土缺陷,且通过计算得出平均波速为3 260.40 m/s,离散度为10.46%,离散度偏大,混凝土不均匀,存在离析现象。PST 技术与声波CT 技术对桩基缺陷的认定基本一致。为进一步对比,在同一根桩基PST 技术认定完整处也同步开展声波CT 检测,缺陷桩基完整处声波CT 检测结果如图18 所示。通过计算得出平均波速为3 702.08 m/s,波速较大,且波速云图中无低速区域,离散度为5.21%,混凝土较均匀。声波CT 检测结果认定该处无缺陷,与PST检测结果一致。

图18 缺陷桩基完整处声波CT 检测结果

7 结语

通过数值模拟以及实际工程应用,探讨一种无损检测的新技术——成桥桩检测技术,明确现场检测的技术要求,提出数据处理的关键,总结水下桩检测结果的工程规律,最终验证了采用成桥桩检测技术检测并评价水下桩加固质量的可行性。