无损检测技术在桥梁桩基检测中的应用思路研究

2022-09-11

无损检测技术是在不破坏结构构件的情况下, 直接在结构物上进行测试或在其内部钻取芯样进行测试, 检验结构物的内部质量、推定结构物的强度及质量缺陷, 它既适用于工程施工过程中的质量监测, 又适用于工程竣工验收和建筑物使用期间的质量检定。无损检测具有快速、简便、直观和无破损等优点, 在桥梁建设工程中得到日益广泛的应用和发展。其中基桩无损检测技术作为工程物探发展的一个新领域, 是隐蔽工程施工质量检验的重要手段和建设工程监理质量评定的主要依据。

随着无损检测方法研究工作的不断深入, 尤其是科学技术的发展, 新的检测仪器设备不断开发和应用, 逐渐涌现出新的测试方法, 无损检测技术也正在突破原有的范畴, 测试内容更广泛, 测试结果更准确, 其功能也由事后的质量检测, 发展成事前的质量反馈, 为更好地指导施工、节约成本和质量控制起到了很好的作用, 无损检测工作已逐步成为工程建设的一种实际需要。目前, 无损检测已在我国建筑工程的多个领域成为法定的检测手段之一。随着科学技术的发展和工程建设规模不断扩大, 无损检测技术的发展前景将更加广阔。

1 基桩检测技术

常规的基桩检测在宏观上分为直接法和半直接法, 检测内容主要集中在完整性检测和承载力检测两个方面。直接法包括单桩竖向抗压静载荷试验、单桩竖向抗拔静载荷试验、单桩水平静载荷试验和钻探抽芯检验方法;半直接法包括低应变法、高应变法和声波透射法等。下面就目前桥梁工程最常用的基桩低应变法、声波透射法和钻芯法技术作一个介绍。

1.1 低应变法

基桩动测技术是以应力波理论为基础发展起来的。在20世纪70年代初期, 荷兰建筑材料与结构研究所 (TNO) 研制成了基桩检测系统, 用于检测桩身结构完整性, 基桩动测技术开始在许多国家推广使用。同一时期, 在引进国外动测方法的基础上, 结合我国桩基的类型, 国内多家单位对桩的动测方法、测试技术、仪器设备等方面进行了深入的研究, 极大地推动了我国低应变动测技术的发展和应用。主要的研究成果和方法有反射波法、机械阻抗法、水电效应法、动力参数法、共振法和球击法等六种, 其中前三种方法用于检测桩身完整性, 后三种方法可用于检测单桩承载力;但低应变法能否检测单桩承载力一直存在较大的争论, 目前倾向于低应变法只能检测桩身完整性。

低应变法按激振方式分为瞬态激振法和稳态激振法;按分析方法分为时域分析法和频域分析法。无论瞬态激振的时域分析还是瞬态或稳态激振的频域分析, 只是在习惯上从波动理论的两个不同角度去分析, 时域信号和频域信号可通过傅立叶变换建立对应关系, 当桩的边界条件和初始条件相同时, 其分析结果是一样的。目前国内外普遍采用的为瞬态时域分析法, 即反射波法。建设部在总结多年基桩检测经验和科研成果基础上于2003年颁发了《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ106-2003) (以下简称《规范》) 取代了原《基桩低应变动力检测规程》 (JGJ/T93-95) , 对反射波法的适用性作了较明确的界定, 指出低应变法用于检测混凝土桩的桩身完整性, 判定桩身缺陷的程度及位置, 没有对老规程中的校核桩长和估算桩身混凝土强度作出规定。同时提出了有效检测长度概念, 对于超长桩的检测低应变法可以查明有效检测长度范围内是否存在缺陷。有效检测长度与桩的边界条件、激发和接收条件、仪器设备分辨率和操作技术人员水平等有关。

低应变方法的最大特点是快捷方便、经济高效, 基本不制约工期, 并能够现场实时做出判断。作为一种快速、有效的检测手段, 多年来始终高效应用于桥梁基桩质量检测中。但是受弹性波传播特性和激发能量的制约, 对于长桩 (通常认为是大于50.0m) 的桩底判别比较困难。对于桩身质量和桩长的判别受干扰因素 (如缺陷反射、地质变层反射、桩端持力层岩性、桩身截面突变、激振方式选用、桩头的处理情况等) 也较多。

1.2 声波透射法检测

声波透射法检测是在结构混凝土声学检测技术基础上发展起来的。我国自20世纪60年代开始将声波检测技术应用于工程检测领域, 至20世纪70年代声波透射法开始用于检测混凝土灌注桩的完整性。近十几年来随着桥梁建设和高层建筑的突飞猛进, 超长大直径混凝土灌注桩的大量使用, 为声波透射法检测技术的发展提供了舞台。

该方法的优点是检测全面、细致, 信息量相当丰富, 结果准确可靠, 并可估算混凝土强度;检测不受桩长和桩径的限制, 对桩长的判定直接有效, 尤其适合超长大直径灌注桩的桩身完整性检测, 受其它的干扰因素也较少;无盲区, 检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面, 包括桩顶低强区和桩底沉渣情况;毋须桩顶露出地面即可检测, 方便施工。

1.3 钻芯法

钻芯法适用于检测混凝土灌注桩和水泥土桩的桩长、桩身材料强度、桩底沉渣厚度和桩身完整性, 判定或鉴别桩端持力层岩土性状。钻机一般应配备单动双管钻具, 钻探混凝土桩时应采用金刚石钻头钻进, 保证芯样的采取率和芯样完整性。芯样取出后, 应由上而下按回次顺序放进芯样箱中, 芯样侧面应清晰地标明回次数、块号、本回次总块数。及时记录孔号、回次数、起止深度、块数、总块数, 并拍彩色照片留存, 记录芯样质量的初步描述及钻进异常情况。选取代表性芯样进行抗压试验。

钻芯法作为一种直接检测方法, 是检测成桩质量的有效手段之一, 不受场地条件限制, 特别适合于大直径桩的检测。当桩长较长时应控制好钻芯孔的垂直度, 以免偏离桩身。但当桩本身存在偏斜现象时, 钻芯孔较难钻至桩底。钻芯法检测速度慢、费用高。

2 基桩检测中常见问题及处理

2.1 检测方法的选择

每种检测方法基于其理论基础和技术上的原因都有其一定的适用范围和检测能力, 若将其故意扩大, 极易引起误判, 甚至错判。必要时应采用两种或多种检测方法相互补充、验证, 提高检测结果的准确性和可靠性。桥梁工程基桩检测应综合考虑各方面的因素, 因地制宜, 针对不同的地质情况和桩型选择适宜的检测方法, 保证基桩工程质量。对嵌岩桩和特长桩均有必要提前埋设声测管, 采用超声波透射法检测, 提高桩身完整性判释精度。

低应变检测快速简便, 但适用范围有其局限性, 目前仍无法对缺陷进行准确定性, 定量分析也不理想, 有效检测长度受桩土刚度比大小、缺陷信号干扰和应力波衰减的制约, 长径比超过一定限度的长桩和浅部缺陷桩, 无法进行整桩完整性的判别。声波透射法不仅可以检测桩身混凝土的完整性, 同时可以校核桩长、估算混凝土强度, 尤其适合嵌岩桩和长桩的检测。钻芯法直观有效, 并可检测桩身混凝土强度, 同时也可作为间接检测方法的验证手段, 对于重要桥梁工程的基桩有必要抽取一定比例的基桩进行抽芯法检测。

2.2 激振方式的选择

低应变检测时应针对不同桩型和检测目的选用不同材质和重量的锤击力棒或力锤。用带尼龙质锤击头的重型力棒并加大锤击速度, 提高锤击力度, 可增大脉冲宽度, 对长桩的检测是较好的激振方式, 可有效提高检测长度。京沪高速铁路试桩工程北京特大桥直径1500mm桩长60.0m的钻孔灌注桩, 采用了合适的激发方式, 没有经过任何的滤波处理, 很小的指数放大即可见清晰的桩底反射。当需要了解桩身浅部缺陷的程度时, 应采用能够激发出高频脉冲波的硬质材料激发方式, 提高浅部缺陷分辨率。

2.3 嵌岩桩的检测问题

嵌岩桩在目前桥梁基桩中被广泛采用, 为保证建设标准, 一般嵌岩段较长, 在个别地质条件下超过二十几米。在这种情况下, 若采用低应变法检测, 由于受桩周岩层阻力的影响, 应力波很快扩散或衰减, 使得有效测试范围减小, 造成该方法难以对整桩的成桩质量和桩底沉渣情况进行客观评价。

2.4 检测现场前期准备

现场检测时应提前做好相关的准备工作。低应变检测要求桩顶至设计标高, 并为新鲜混凝土、无浮浆、裂纹和松动混凝土块等。桩头处理不到位、清理不干净、浮浆、出露钢筋过长, 桩头开裂等不利因素, 均影响有效信号的采集。激振点和安装传感器的测试点应打磨平整, 尽量排除干扰因素。声波法检测应保证声测管顺直通畅, 换能器探头能够在全程范围内升降顺畅。声测管的材质应具有较高的刚度和强度, 安装时应由丝扣连接或套管焊接, 确保连接或焊接的质量以及声测管相互平行。在钢筋笼安装和混凝土灌筑过程中, 采取必要措施保护好声测管。保证检测数据的真实有效。

2.5 数据的分析与判断

现场检测前详细了解和收集基桩的相关参数资料, 检测过程中能及时发现问题作出初步判断, 并及时完成必要的重复性检测或加密检测工作, 保证检测原始数据的可靠性和采集数据的一致性, 为综合分析判断提供详实的基础资料。另外加强对比验证, 综合分析同一工程的所有被测桩资料, 寻找其共性, 提高对单桩检测结果的判断准确度。

摘要：本文基于笔者多年从事桥梁桩基检测的相关工作经验, 以无损检测技术在桥梁桩基检测中应用为研究对象, 研究探讨了三种无损检测技术方法及其技术特点, 在此基础上, 结合实践分析了桩基检测中常见的问题及其处理方法, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：无损检测,桥梁,桩基