基桩反射波法检测技术的评价与应用

段 茗

0 引言

近几年来,广东的公路桥梁建设发展很快。众多的桥梁基础大多采用隐蔽的桩基础,桩基础的质量问题关系着人民的生命和财产的安全。桩基工程作为隐蔽工程,发现问题难,事故处理难。因此,桩基础工程的试验和检测显得尤为重要。作为桩基检测的常规手段,基桩反射波法检测在我国桥梁桩基检测中已有多年的历史并已纳入国家的规范。由于此种方法测点广、经济、快捷、无损等诸多优点,反射波法作为使用频率高且发展较快的无损检测技术,目前在桥梁的桩基检测中应用范围很广。

1 基桩反射波法的基本原理

基桩反射波法检测桩身结构完整性的基本原理是:通过在桩顶施加激振信号产生应力波,该应力波沿桩身传播过程中,遇到不连续界面(如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷)和桩底面时,将产生反射波,检测分析反射波的传播时间、幅值和波形特征,就能判断基桩的完整性。

2 影响桩身完整性测试结果的因素

2.1 尺寸效应

低应变反射波法的理论基础是一维弹性杆纵波理论。采用一维弹性杆纵波理论的前提是激励脉冲频谱中有效的高频谐波分量波长λ与被检桩的半径R之比应足够大(λ/R≥10),否则平截面假设不成立。另外激励脉冲的波长与桩长相比又必须比较小,否则桩身的运动更接近刚体,波动不明显,从而对准确测试波速、探测桩身缺陷深度(尤其是浅部缺陷)产生不利影响。同时桩的横向、纵向尺寸与激励脉冲波长的关系相矛盾,这种尺寸效应在测试大直径桩和浅部严重缺陷桩时就显得非常突出。

2.2 桩周土效应

在桩周存在土体情况下,桩—土体系在缺陷部位综合阻抗差异与裸桩相比有减小趋势,使反射信号减弱。在有些情况下,对于均匀桩体,也可以由于桩周土体的差异使桩—土综合体系阻抗形成差异而产生反射波,这对桩身质量检测来说是一种“假缺陷信号”。

2.3 振源特性

在工程桩的实际检测中,常用的瞬态激振设备是手锤和力棒,激振效果的好坏,主要受碰撞材料的重量、硬度、弹性模量、接触面积以及碰撞方向和碰撞速度等影响。一般来说,材质越软、碰撞速度越低,锤体重量越重、锤体的重量和几何尺寸与锤击对象间越匹配,信号的脉冲宽度就越大,覆盖的高频成分也就越少。检测工作中应根据不同的桩型,选用适合的激振方式,才能取得好的检测效果。另外采集仪器设备是否定期到法定计量机构去校准和计量也是影响桩测试的比较关键的环节。

2.4 混凝土龄期

从大量桩基检测中,我们发现混凝土强度及波速随龄期的增长而增加。在早期低强度时,混凝土的强度的增长小于波速的增长,随着龄期增长,混凝土强度的增长大于波速的增长,甚至在强度达到一定值后,波速增长极慢。

2.5 养护条件

养护条件对波速的影响有以下规律:自然条件养护波速最低,蒸汽养护次之,水中养护波速最高。由于桥梁的混凝土桩基通常是处在桩周围饱和土体的环境中,其养护条件比较接近水中环境,有利于波速的测定。干燥状态中养护的混凝土因干缩等原因而造成的微裂缝也将使波速降低。在桩基检测过程中要注意地下水位的变化对混凝土养护和波速的影响。

2.6 混凝土材料性质

混凝土粗骨料的数量、品种及颗粒组成对声波传播速度的影响比较显著,甚至稍微增加一些碎石的用量或采用较高弹性模量的骨料,波速就很敏感。在强度等级相同的情况下,混凝土的声波速度最高,砂浆次之,水泥石最低。

3 基桩反射波法检测应注意的一些问题

3.1 “浅部盲区”现象

我们在工程中进行基桩完整性检测时,经常出现在曲线上不能正确判断前部缺陷的现象,即“浅部盲区”现象。“盲区”的出现与检测仪器、测试方式有关。从理论上讲,当两个波峰距离相差小于1/4λ时,两个波峰的迭加,会出现个新的峰值。在测试记录曲线上,来自浅部桩身的反射波与强大的初至波迭加在一起无法区分,而出现测试“盲区”。在实际的完整性检测中,选取合理的激发接收装置,可以使“盲区”减小。理论上讲,通过选择合理的激发接收装置,基桩完整性测试可以没有“盲区”,但由于测试仪器和测试方法的问题,“浅部盲区”现象确实存在。

3.2 判断桩长问题

实际的基桩检测中,影响检测桩长的因素很多,主要有:1)波的衰减特性。进行基桩检测桩时,桩周土质点会随桩身仪器振动,一部分弹性波的能量传入土中,也造成弹性波的衰减;2)击发方式(击发频率、能量)的影响;3)撞击施工工艺和桩型的影响。

3.3 区分缺陷问题

由于所测得的桩顶反射波幅度受各种因素影响,缩径、裂隙、离析的表现形式完全相同,造成缺陷的具体性质无法正确判定,要进一步判断桩身缺陷的性质,除分析测桩曲线特征外,应综合分析基桩施工工艺、施工记录及场地工程地质条件等因素。

3.4 养护龄期问题

混凝土是一种与龄期有关的材料,其强度随时间的增加而增加。在最初的几天内强度快速增加,随后逐渐变缓,其物理力学、声学参数变化趋势亦大体如此。

3.5 阻抗变化问题

一些缺陷如缩径、离析、空洞等发生在桩身的某一段,而且缺陷程度是由轻至重或由重至轻。对于这样渐变的阻抗界面,反射波信号往往反映得不很明显,给完整性判断带来了困难。渐变的阻抗变化会造成时域曲线上界面反射不易辨认,位置计算不准的现象。在阻抗突变处的一次或二次反射常表现为类似明显扩径、严重缺陷或断桩的相反情形,从而造成误判。因此,可结合施工、地层情况综合分析加以区分;无法区分时,应结合其他检测方法综合判定。

4 工程检测实例

4.1 工程概况

我们以东莞某大桥北行H32墩的桩基检测为例,该墩处上部结构为32.5 m装配式预应力混凝土T梁结构形式,下部结构为双桩单柱的一字形承台结构形式。桩基混凝土标号为C30,主筋直径为25mm(Ⅱ级)。该墩处地下水十分丰富,对泥质页岩的强度影响很大,桩基处于不稳定的流塑性岩土层中。从施工资料上看,H32-1号桩基位于中风化泥页岩上界面处,距离微风化泥页岩界面5.3 m左右;H32-2号桩基进入强风化泥页岩2.6m,距离微风化泥页岩界面4.6m左右。两根桩均未达到设计要求的入中风化至少两倍桩径的入岩深度。因此该桥墩桩基承载力较差。

4.2 检测分析

根据实测波形特性,结合地质资料、设计和施工情况将桩身结构的完整性按四类划分:Ⅰ类桩:桩身完整或基本完整。Ⅱ类桩:桩身存在一般性缺陷。Ⅲ类桩:桩身存在明显缺陷。Ⅳ类桩:桩身存在严重缺陷或断桩。

桩身质量检测结果见表1。

表1 某大桥北行H32号桥墩桩基反射波法检测结果

4.3 检测评价

由于基桩反射波法原理和检测方法的局限性,本检测方法不能具体确定缺陷的形式或平面位置,桩身缺陷的形式可能为:混凝土离析、蜂窝、缩径、夹泥或裂缝等;桩底缺陷的形式可能为:混凝土离析、沉渣过厚、桩底持力层强度低或桩底有溶洞等。

5 结语

基桩反射法检测基桩桩身完整性理论和现场经验都不成熟,对其影响因素的认识也不深入。目前工程界主要注重经验和工程类比,理论滞后于工程实践。桩基工程是地下隐蔽工程,复杂的地质条件等诸多因素的影响,给正确地检测、有效的验证带来较大的困难,桩身质量检测基本上仍处于定性阶段,完全定量化更需要一个艰苦长期研究过程。

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