聲波透射法在高寒地區(qū)樁身檢測(cè)中的應(yīng)用

杜仕朝,康春霞,鄔曉光

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064;2.西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院,陜西 西安 710055)

聲波透射法在高寒地區(qū)樁身檢測(cè)中的應(yīng)用

杜仕朝1,康春霞2,鄔曉光1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064;2.西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院,陜西 西安 710055)

為了探討聲波透射法在高寒地區(qū)特殊氣候條件下的適用情況,使用聲波透射法對(duì)西藏自治區(qū)某大橋新建工程基樁進(jìn)行了完整性檢測(cè),并與樁基鉆芯法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中檢測(cè)全面,檢測(cè)結(jié)果安全可靠.

高寒地區(qū); 橋梁; 樁基檢測(cè); 聲波透射法

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著全國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步完善,西部地區(qū)修建了不少大、中型橋梁.鉆(沖、挖)孔灌注樁被廣泛應(yīng)用于橋梁的基礎(chǔ)工程中.因?yàn)闃痘A(chǔ)施工受地質(zhì)條件、施工工藝以及施工設(shè)備的影響比較大[1],所以完工后必須進(jìn)行檢測(cè).由于樁基礎(chǔ)屬于隱蔽工程,工程上常采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè).但目前該方法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中的適用性研究依舊是一個(gè)空白[2].因此,如何在地質(zhì)條件多變、施工及檢測(cè)設(shè)備相對(duì)落后、氣候惡劣的西藏地區(qū)對(duì)橋梁樁身進(jìn)行準(zhǔn)確的完整性檢測(cè)需要進(jìn)行探索和研究.

1 聲波透射法的基本原理

聲波透射法工作的基本原理是根據(jù)聲波在不同傳播介質(zhì)中所表現(xiàn)出來(lái)的特性來(lái)判斷樁基質(zhì)量的好壞.聲波在樁基的傳播過(guò)程中,會(huì)在混凝土截面產(chǎn)生較多的折射波和散射波,這兩種波疊加后會(huì)進(jìn)一步造成聲能的損失.混凝土樁基中較大的缺陷會(huì)改變聲波原本的直線傳播,使傳遞路徑和傳遞時(shí)間增大,波幅與頻率減小.工程實(shí)際檢測(cè)會(huì)通過(guò)相應(yīng)參數(shù)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合來(lái)判定樁基是否存在缺陷[3].

1.1 混凝土質(zhì)量對(duì)聲學(xué)參數(shù)的影響

混凝土灌注樁在施工過(guò)程中,由于施工難度大、工藝復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)容易造成混凝土空洞、裂縫、夾雜物等缺陷.聲波會(huì)攜帶混凝土材料性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及組成信息,通過(guò)接收聲波的各種聲學(xué)參數(shù)量值及變化來(lái)推斷混凝土樁基的健康狀況.

儀器接收到的聲波波幅能夠說(shuō)明混凝土對(duì)聲波的削弱程度.在一定的程度上若接收到的聲波波幅較低,則說(shuō)明聲波穿過(guò)混凝土?xí)r被削弱的越多.因此當(dāng)樁基的某一段混凝土存在強(qiáng)度不足、蜂窩及發(fā)生離析等缺陷時(shí),接收到的聲波波幅會(huì)有很大的下降[4].

在混凝土存在缺陷處,儀器發(fā)射出來(lái)的聲波會(huì)發(fā)生折射和反射,改變傳播路徑,使儀器接收到的波的時(shí)間不盡相同,使接收波成為許多同相位或不同相位波束的疊加波,導(dǎo)致波形畸變.事實(shí)證明,凡超聲脈沖在傳播過(guò)程中遇到缺陷,其接收波形往往產(chǎn)生畸變,所以波形畸變程度可作為判斷缺陷程度的參考依據(jù)[5].

本文樁身缺陷檢測(cè)以聲速臨界值、波幅臨界值以及PSD(Product of Slope and Difference)判據(jù)進(jìn)行綜合判定.對(duì)于由聲速、波幅衰減確定的異常區(qū),結(jié)合PSD曲線進(jìn)行綜合分析,采用斜率法作為輔助異常判據(jù).

1.2 高寒地區(qū)氣候?qū)β晫W(xué)參數(shù)的影響

高寒地區(qū)溫度、氣壓等獨(dú)特氣候條件都會(huì)對(duì)超聲波波速、波幅、頻率產(chǎn)生一定的影響.其中,溫度對(duì)超聲波波速的影響是值得我們注意的,以20 ℃時(shí)的聲速作為標(biāo)準(zhǔn)聲速,在-40 ℃～40 ℃內(nèi),聲速的修正系數(shù)為0.92～1.05.同時(shí)惡劣的氣候也對(duì)施工人員的施工質(zhì)量提出了嚴(yán)重的考驗(yàn).因此加強(qiáng)對(duì)聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用研究尤為重要[6].

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

以西藏自治區(qū)某大橋新建工程基樁完整性檢測(cè)為例,說(shuō)明聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用.該項(xiàng)目采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),大橋全長(zhǎng)907 m,設(shè)計(jì)速度80 km/h,橋面寬度為1.50 m(人行道)+8.75 m(行車道)+1.00 m(隔離帶)+8.75 m(行車道)+1.50 m(人行道).上部結(jié)構(gòu)形式為30 m×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁,下部為柱式墩、肋板式臺(tái),鉆孔灌注樁基礎(chǔ).該大橋樁基布置如圖1所示.

圖1 某大橋樁基布置圖Fig.1 The layout of a bridge pile

檢測(cè)儀器設(shè)備采用武漢巖海RS-ST01C數(shù)字超聲儀,包括雙孔換能器、孔口深度滑輪.數(shù)據(jù)自動(dòng)連續(xù)采集.

根據(jù)樁身混凝土的均勻性,是否存在缺陷及缺陷的嚴(yán)重程度,將樁身的完整性按四類劃分:

Ⅰ類樁: 樁身完整;

Ⅱ類樁: 樁身有輕微缺陷,不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮;

Ⅲ類樁: 樁身存在明顯缺陷,對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力有影響;

Ⅳ類樁: 樁身存在嚴(yán)重缺陷.

該大橋新建工程試驗(yàn)使用聲波透射法總共檢測(cè)灌注樁數(shù)量為20根,其中Ⅰ類樁18根,占所測(cè)樁數(shù)的90%;Ⅱ類樁0根;Ⅲ類樁0根;Ⅳ類樁2根,占所測(cè)樁數(shù)的10%.

2.2 樁基的檢測(cè)對(duì)比

西藏地區(qū)特定的高寒氣候會(huì)對(duì)檢測(cè)儀器設(shè)備產(chǎn)生一定的影響,使得檢測(cè)結(jié)果有可能產(chǎn)生偏差.為了檢驗(yàn)聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中的可靠性,經(jīng)與施工相關(guān)單位協(xié)商以后對(duì)此批樁基中的三根進(jìn)行鉆芯法檢測(cè)并進(jìn)行上述結(jié)果的校驗(yàn),通過(guò)聲波投射法和鉆芯法檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比來(lái)回答聲波投射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中的適用性問(wèn)題[7-8].

0-b號(hào)樁基的樁長(zhǎng)為40 m,樁徑為1.2 m,其聲波透射法下的波形如圖2所示.

該樁三個(gè)檢測(cè)剖面聲速、波速曲線各測(cè)點(diǎn)測(cè)值離散性不大,并且可以由PSD法來(lái)判定樁基的類型;三個(gè)剖面實(shí)測(cè)聲速平均值在4.3～4.6 km/s之間,屬于混凝土聲速的正常取值;其聲速、波幅、PSD取值均在臨界線的范圍之內(nèi).根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2003)、《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECSH 21:2000)相關(guān)規(guī)定,該樁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合Ⅰ類樁的特征,該樁樁身完整性等級(jí)判定為Ⅰ類.

該樁經(jīng)鉆芯驗(yàn)證,混凝土芯樣連續(xù)完整,呈柱狀,表面光滑,膠結(jié)好,粗細(xì)骨料分布均勻,因此該受檢樁的樁身完整性類別為Ⅰ類.

2-a號(hào)樁基的樁長(zhǎng)為50 m,樁徑為1.8 m,其聲波透射法下的波形如圖3所示.

AB剖面在40.5 m至樁底范圍聲速和波幅顯著降低,PSD曲線也發(fā)生明顯的異常,波形畸變明顯,但依舊可以接收到聲波信號(hào); BC剖面在42 m至樁底范圍聲速顯著降低; AC剖面下半段范圍聲速顯著發(fā)生變化.三個(gè)剖面在缺陷位置聲測(cè)線聲速明顯偏離聲速正常取值范圍,異常聲測(cè)線在樁底以上10 m范圍連續(xù)分布,且存在同高程缺陷.根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2003)、《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECSH 21:2000)相關(guān)規(guī)定,該樁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合Ⅳ類樁的特征,該樁樁身完整性等級(jí)判定為Ⅳ類.

該樁經(jīng)鉆芯驗(yàn)證,40.5～50.0 m處樁身混凝土芯樣表面溝槽連續(xù)、蜂窩嚴(yán)重,局部芯樣膠結(jié)差.因此該受檢樁的樁身完整性類別為Ⅳ類.

25-c號(hào)樁基的樁長(zhǎng)為45 m,樁徑為1.8 m,其聲波透射法下的波形圖如圖4所示.

AB剖面在23.5～24.0 m處聲速、波幅均發(fā)生明顯的異常,聲速甚至接近了0; AB、AC、BC三個(gè)檢測(cè)平面在44.0 m至樁底范圍內(nèi)聲速和波幅嚴(yán)重異常,實(shí)測(cè)波形與正常聲測(cè)線相比波幅和聲速嚴(yán)重異常PSD曲線也發(fā)生明顯的異常,波形嚴(yán)重畸變.根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2003)、《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECSH 21:2000)相關(guān)規(guī)定,該樁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合Ⅳ類樁的特征,該樁樁身完整性等級(jí)判定為Ⅳ類.

圖2 0-b號(hào)樁各剖面聲速、聲波、PSD曲線圖Fig.2 Graphs of sound velocity,sound wave,and PSD of each cross section of 0-b pile

圖3 2-a號(hào)樁各剖面聲速、聲波、PSD曲線圖Fig.3 Graphs of sound velocity,sound wave,and PSD of each cross section of 2-a pile

圖4 25-c號(hào)樁各剖面聲速、聲波、PSD曲線圖Fig.4 Graphs of sound velocity,sound wave,and PSD of each cross section of 25-c pile

該樁經(jīng)鉆芯驗(yàn)證,在23～24 m處樁身離析松散、嚴(yán)重蜂窩、連續(xù)溝槽;在樁底1 m范圍內(nèi)混凝土芯樣表面溝槽連續(xù)、蜂窩嚴(yán)重,局部芯樣膠結(jié)差,樁底沉渣嚴(yán)重.因此該受檢樁的樁身完整性類別為Ⅳ類.

4 結(jié) 論

結(jié)合西藏自治區(qū)某大橋新建工程基樁完整性檢測(cè)的具體實(shí)踐,驗(yàn)證了聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中的適用性,總結(jié)了高寒地區(qū)聲波透射法在樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用特點(diǎn):

(1) 聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中能夠做到檢測(cè)全面、細(xì)致,結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基本要求.

(2) 聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中并不會(huì)受到樁長(zhǎng)和樁徑的約束,對(duì)混凝土存在的缺陷能夠做出正確的判定結(jié)果.

(3) 聲波透射法在高寒地區(qū)樁身完整性檢測(cè)中可對(duì)樁的各個(gè)截面進(jìn)行檢測(cè),包括樁頂?shù)蛷?qiáng)區(qū)和樁底沉渣情況.

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【責(zé)任編輯: 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,河北邢臺(tái)人,長(zhǎng)安大學(xué)碩士研究生; 鄔曉光(1961-),男,湖北黃岡人,長(zhǎng)安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

2095-5456(2015)04-0331-05

U 4-9

A