综述低应变检测技术的应用

2022-12-15

1 低应变发射波法

目前, 低应变动力测桩是采用低能量的瞬态或稳态激振, 使桩在弹性范围内作低幅振动 (应变量约为10-5) , 利用振动和波动理论判断桩身缺陷。我国低应变动测桩法主要是反射波法, 主要用来检查桩身完整性, 检查桩身是否存在缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣等缺陷。

1.1 基本原理

应力变反射波法是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法把桩假定为连续弹性的一维截面匀质杆件, 并且不考虑桩周土体对沿桩身传播应力波的影响。当在桩顶施加一瞬态锤击振力, 将在桩内激发应力波, 由于桩与周土之间的波阻抗差异悬殊, 应力波大部分能量将在桩内传播, 当波长L>桩径D, 应力波波长λ>D时, 桩可以看作一维杆件, 应力波在桩内传播可以采用一维杆波动方程计算。垂直入射的应力波在桩内传播过程中, 当桩内存在有波阻抗差异界面时, 波将产生反射波和透射波, 反射波将沿桩身反向传播到桩顶, 而透射波继续向下传播。桩身的缺陷、桩底均可以根据反射波的相位、振幅、频率特性, 辅以地层资料、施工记录以及实践分析经验, 对其性质做出确切的判断。

1.2 测桩前的准备工作

(1) 进场测试前首先应获得第一手资料:该工程的成桩工艺、桩长、桩径、成桩日期、砼强度等。

(2) 进入现场, 观察, 敲击桩头, 了解其实际施工质量, 如桩头是否潮湿、夹泥、桩头疏松、含有泥浆等现象。

(3) 桩头须达到设计标高后, 清理干净, 应保证桩头平整、完好无破损、灌注桩使用砂轮打磨出3~4个直径8~10cm的光面, 作为激振点并利于安装传感器, 出露的钢筋应倒向两侧, 且不应有较大的晃动, 对于大直径桩, 须多测几个位置, 以得到真实完整的桩身反射信号。

(4) 由于砼强度与其龄期有密切关系。不同龄期尤其早期测试结果差异较大, 这些差异表现在判别离析性质缺陷的程度上, 有很大的关系。砼强度达到一定值时, 用力棒敲击桩头, 产生的应力波才能有效地沿桩身向下传播。依据规范要求, 受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%, 且不小于15MPa。

1.3 野外数据采集

(1) 振源和传感器的选择及其对信号的影响。反射波法的应用前提必须有一个振源, 振源对测试效果的影响很大, 不同的锤击方式会产生相差很大的曲线。一般地说, 小桩选择小锤, 大桩选择大锤, 较长的桩宜用脉冲宽的击振源, 才容易获得桩底反射信号。

在检测现场, 针对不同情况, 尤其是疑点较大的桩, 应选择多种击振方式, 或更换传感器的位置进行对比, 以便作出合理的结论。

(2) 传感器安装及力棒的使用。传感器是接受桩身反射信号的关键设备, 其性能的好坏直接影响波形的采集质量, 传感器及电缆应选用轻型的, 以便于跟踪响应, 必须保证传感器与桩体紧密接触, 同时, 避免用手按着传感器, 实践证明, 采用黄油安装传感器可获得较理想的桩身完整性实测曲线。使用力棒时, 由于力棒较重, 易造成二次冲击, 导致信号失真。应排除二次冲击的干扰, 同时, 力棒敲击桩顶面不应损坏桩顶, 防止信号畸变。现场击锤人员应相对固定, 尽可能进行相应训练, 熟练掌握敲击的轻重、垂直度等。

(3) 信号的选择。在检测过程中, 对前几根桩的检测至关重要, 可以对整个桩身质量有个总体概念, 建立初步印象, 这样能够大大提高检测速度。桩身质量不理想的情况下, 可就地重复测试, 用不同文件名存储两次以上, 以便室内对比分析。

1.4 数据处理

现场的数据采集完毕后, 一般在室内继续对数据进行进一步的分析处理, 对受检桩的桩身完整性作出评价。根据现有的行业规范, 桩身完整性类别分为Ⅰ~Ⅳ类。

Ⅰ类:桩桩身完整;时域信号特征为2L/C时刻前无缺陷反射波, 有桩底反射波。

Ⅱ类:桩身存在轻微缺陷, 但桩身结构完整性基本不影响桩的正常使用;时域信号特征为2L/C时刻前出现轻微缺陷反射波, 没有桩底反射波。

Ⅲ类:桩身存在明显缺陷, 应采取其它方法进一步抽检确定其可用性;时域信号特征表现为有明显缺陷反射波, 介于Ⅱ类和Ⅳ类之间。

类:桩身存在严重缺陷或断桩;时域信号特征表现为2L/C时刻前出现严重缺陷反射波或周期性反射波, 无桩底反射波;或因桩身浅部严重缺陷使波形呈现低频大振幅衰减振动, 无桩底反射波。

桩身完整性类别应结合缺陷出现的深度, 测试信号衰减特性以及设计桩型、成桩工艺、地质条件、施工情况, 按照规范所列的实测时域或幅频信号特征进行综合分析判定。完整桩的分析判定, 从时域信号或频域信号特征表现的信息判定相对来说较简单直观, 而分析缺陷桩信号则复杂些:实测信号既包含施工质量缺陷产生的反射波, 也包含因设计或成桩工艺本身局限导致的不连续断面产生的反射波。因些, 在分析测试信号时, 应仔细分清哪些是缺陷波或缺陷谐振峰, 哪些是因桩身构造、成桩工艺、土层影响造成的类似缺陷信号特征。

在此取某些实例对影响钻、挖孔桩缺陷反射的因素进行分析。

(1) 完整桩。施工质量优良的完整桩的速度波形应光滑, 有明显的桩底反射信号, 波速正常。图1为某高速公路桥梁钻孔灌注桩, 桩径1.2m, 桩长47.0m, 波速3960m/s, 混凝土强度等级C25, 为完整桩。

(2) 钢护筒引起的桩缩颈。该桩直径1.5m, 从波形反映, 该桩在3.2m存在缩径特征见图2。后经查施工记录, 该桩桩顶部分采用混凝土护筒, 壁厚8cm, 并与桩混凝土浇筑在一起, 使桩顶部直径达到1.64m, 故在护筒底表现为缩径。

人工挖孔桩, 在遇到比较厚的流塑状淤泥层时, 桩孔护壁通常采用钢护筒。如果桩孔的其它部位采用的是20cm厚的砼护筒, 那么在钢护筒部分, 相当于桩缩颈。在缩颈和淤泥地层的双重原因影响下, 检测曲线上会出现比较明显的缺陷反射, 在没有进行综合分析的情况下, 容易产生误判。

(3) 断桩引起的反射。断桩的波形曲线存在明显的波峰, 且桩底信号不明显 (见图3) , 根据该工程桩身平均波速, 求得该桩在18.0m断桩。

(4) 桩周土层及桩底虚土沉渣对波形曲线的影响。某25#桩基础采用冲 (钻) 孔灌注桩, 桩径

700~800 mm, 桩长14.50~28.4m, 桩端持力层为中风化花岗岩, 砼强度C25。该场地土层:杂填土0~1.8m, 粘土0.6~1.0m, 游泥5.5~30.1m, 强风化花岗岩0.4~3.2m, 中风化花岗岩揭示6.8m。如图4所示, 波形规则, 桩底反射波有明显正相位, 判断桩身为Ⅰ类型, 但对于中风化持力层的桩, 应该不会出现正相位的桩底反射波。这说明该桩底有沉渣或虚土存在。

在对桩基测试曲线进行分析时, 要充分考虑到桩周土层对所采集波形曲线的影响。在桩基动测中, 检测人员往往注意到桩本身的子波叠加而引起的缺陷判断, 而忽略了应力波在桩中的传播时, 不仅受桩身材料、刚度及缺陷的影响, 同时受桩周土层的土模量大小的影响。桩周土层的土力学性能越好, 应力波在桩周土层中的损耗就越大。在硬土层处将会产生似扩径的反射波, 在软土层处将会产生由于应力波透射损耗小而产生似缩径的反射波。如果不考虑桩周土层对所采集曲线的影响, 不了解桩侧的土质情况, 有时会造成误判。

(5) 钢筋笼影响。某新村20#楼采用沉管灌注桩, 桩径φ377mm, 桩长30m左右, 钢筋笼长12m, 单桩设计承载力270kN。桩身混凝土在28d龄期后, 采用低应变反射波法检测, 发现有70%的桩在9~12m处波形有特别突出的同相反射波峰, 且有多次反射 (见图5) 。

如果不是全笼的钢筋混凝土灌注桩, 检测曲线上, 在钢筋笼的下端, 有时会出现明显的缺陷发射。这是因为有钢筋笼部分的桩身阻抗与没有钢筋笼部分的桩身阻抗是不同的, 横截面含钢量越大, 桩材密度ρ和波速C就越大。根据Z=ρCA (A为截面积) , 有钢筋笼部分的桩材密度ρ, 波速C, 比没有钢筋笼部分大。从有钢筋笼的桩身到无钢筋笼的桩身, 桩身阻抗有很大变化, 由此引起的缺陷反射就越明显。

(6) 扩颈引起的反射。图6为某公路人工挖孔桩低应变完整性测试效果图。本工程采用人工挖孔扩底灌注桩, 桩长7m、桩径1.2m混凝土设计强度C 3 0。检测仪器采用FDP204PDA一体化掌上动测仪, 从检测波形来看, 在5.9m左右出现了明显的扩颈, 属工程设计的扩底位置, 对应地质资料及人工挖孔出露的岩层来看, 已经到中风化岩层, 证明检测结果符合工程实际情况。

对于混凝土灌注桩, 可能存在桩身截面逐渐变大后迅速减小 (还原) 的情况, 在增大后迅速减小的位置, 常常可以看到一次甚至二次缺陷反射, 容易产生误判, 应切实留意。