第一篇：聲波透射法對(duì)橋基樁質(zhì)量檢測(cè)的判別及分析(精)

第17卷第1期2003年3月

土 工 基 礎(chǔ)SoilEng.andFoundation

Vol.17No.1 Mar.2003 聲波透射法對(duì)橋基樁質(zhì)量檢測(cè)的判別及分析 楊明亮1 全元元2 李建民3 姜生高1(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北武漢430071;2.湖北天宇工程造價(jià)咨詢有限公司,武漢430071;3.中原石油勘探局工程建設(shè)總公司,河南457001)Ξ

摘 要

本文討論橋梁基樁工程中超聲波透射法檢測(cè)的原理、方法,對(duì)樁基缺陷和完整性進(jìn)行判別及分析,對(duì)缺陷樁進(jìn)行承載力校核等。關(guān)鍵詞

超聲波透射法,樁基檢測(cè),樁的完整性 中圖法分類號(hào):TU47

3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):100423152(2003)0120061205 1 概述

超聲波(簡(jiǎn)稱聲波)透射法測(cè)試是彈性波測(cè)試方法的一種,其理論基礎(chǔ)建立在固體介質(zhì)中彈性波的

傳播理論上,以人工激振的方法向介質(zhì)(巖石、巖體、混凝土構(gòu)筑物)發(fā)射聲波,在一定的空間距離上接收介質(zhì)物理物性調(diào)制的聲波,通過(guò)觀測(cè)和分析聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù),解決一系列巖土工程中的有關(guān)問(wèn)題。某高速公路橋梁的基樁驗(yàn)收過(guò)程中,全部基樁都采用超聲波進(jìn)行樁身質(zhì)量檢測(cè),評(píng)價(jià)樁身介質(zhì)的完整性。筆者長(zhǎng)期從事檢測(cè)工作,對(duì)聲波透射法檢測(cè)橋基樁質(zhì)量的測(cè)試方法和判別規(guī)定進(jìn)行了分析、研究,積累了一些工程經(jīng)驗(yàn)。頻率等)與混凝土介質(zhì)的物理力學(xué)指標(biāo)(動(dòng)彈模、密

度、強(qiáng)度等)之間的相聯(lián)關(guān)系就是聲波透射法檢測(cè)的理論依據(jù)。當(dāng)混凝土介質(zhì)的構(gòu)成材料、均勻度、養(yǎng)護(hù)方法、施工條件等因系基本一致時(shí),聲波在樁體傳播中運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征一致;反之在施工中由于塌孔、離析、夾泥等現(xiàn)象出現(xiàn),聲波在傳播中,必將在運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征上發(fā)生變化。3 測(cè)試方法

某高速公路的中小橋一般采用1.2m的樁徑,大橋特大橋一般采用1.5m的樁徑,甚至2.0m以上的樁徑。施工時(shí),在樁體中預(yù)埋3根孔徑50mm的鋼管做聲測(cè)管,預(yù)埋管綁扎在鋼筋籠的內(nèi)測(cè),且沿基樁平行設(shè)置,管底密封,管內(nèi)注滿清水。樁基混凝土養(yǎng)護(hù)期超過(guò)7天,方可進(jìn)行跨孔對(duì)穿測(cè)試。

檢測(cè)前將三根測(cè)管按順序進(jìn)行編號(hào)(A、B、C),得到A-B、A-C、B-C三條測(cè)線(也稱為剖面),量測(cè)兩測(cè)管中心之間的距離,然后分別對(duì)A-B、A-C、B-C剖面進(jìn)行同高程對(duì)測(cè)。測(cè)試時(shí)由下而下,每次測(cè)距40mm ,當(dāng)發(fā)現(xiàn)樁體異常時(shí),測(cè)距加密為10mm測(cè)讀一次。

聲波透射測(cè)試方法有平測(cè)法、斜測(cè)法和扇面測(cè)法三種,一般采用平測(cè)和斜測(cè)兩種方法(見圖1)。平測(cè)法是將發(fā)射和接收兩換能器始終保持在同一標(biāo)高上,進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)平測(cè)可知道缺陷在垂直 2 測(cè)試原理

聲波在樁體砼中的傳播特性反映了砼材料的結(jié)構(gòu)、密度及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)波動(dòng)理論,知跨孔對(duì)穿測(cè)試其彈性波的波速可近似為: Vp=(1)(1+μ)(1-2μ)式中:E—介質(zhì)的動(dòng)態(tài)彈性模量;ρ—密度;μ— 泊桑比。

聲波在樁體砼中的傳播參數(shù)(聲時(shí)、聲速、波幅、Ξ收稿日期:2002-07-11 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.6

2土 工 基 礎(chǔ)

2003 方向上的區(qū)域大小和嚴(yán)重程度,但不能確定缺陷在

水平方向上的大概部位。

斜測(cè)法是發(fā)射和接收兩個(gè)換能器不在同一標(biāo)高上,進(jìn)行測(cè)試。在斜測(cè)過(guò)程中,采用固定的相差高程(即高差同步),且同一剖面進(jìn)行兩次單獨(dú)的測(cè)試。一般來(lái)說(shuō)高程相

差越大,越能縮小缺陷在水平方面的范圍,但是高程相差越大,測(cè)試信號(hào)就越弱,各種干擾信號(hào)就越強(qiáng),就越容易形成誤判。所以測(cè)試時(shí)在保證信號(hào)較好的情況下,可適當(dāng)增大兩換能器間的高程差。斜測(cè)法常作為平測(cè)法的補(bǔ)充測(cè)試方法,一個(gè)測(cè)線一般需測(cè)兩次,即第一次發(fā)射換能器比接收換能器標(biāo)高高,第二次使發(fā)射換能器比接收換能器標(biāo)高低,但高差絕對(duì)值保持一致。通過(guò)斜測(cè),可以縮小缺陷在水平方向上的范圍。

扇形測(cè)法即固定某一固定換能器,將另一換能器等間距移動(dòng),兩換能器高程差不停變換,形能一

扇面。該方法比斜測(cè)法操作復(fù)雜且數(shù)據(jù)處理較麻煩,只針對(duì)可能有較嚴(yán)重缺陷的樁采用這一測(cè)試方法。

聲波透射測(cè)試方法具有能判斷缺陷在垂直方向上具體部位、在水平方向上的大致范圍等優(yōu)點(diǎn),是反射波法,鉆孔取芯無(wú)法比擬的,但不足之處在于: ①對(duì)豎向缺陷范圍比水平方向缺陷范圍容易更準(zhǔn)確的確定。

②采用平測(cè)法時(shí),容易將水平向(如樁橫截面方向)較大而豎向(如沿樁身方向)很小的缺陷給漏掉。

③存在一定范圍的測(cè)試盲區(qū),即只能測(cè)出聲測(cè)管之間一定范圍內(nèi)砼是否有缺陷,不能準(zhǔn)確測(cè)出樁身整個(gè)斷面是否有缺陷。例如樁中心是否有較小缺陷,樁周是否有局部縮徑、擴(kuò)頸等缺陷。

(a)平測(cè)法

(b)斜測(cè)法(第1次)

(c)斜測(cè)法(第2次)

(d)缺陷分析 圖1 聲波透射測(cè)試方法 4 測(cè)試數(shù)據(jù)處理及缺陷判定

測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理及缺陷判定嚴(yán)格按照《中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程

(JGJ/T93-95)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,即根據(jù)聲時(shí)曲線、Δt曲線和聲幅曲線等三條曲線來(lái)判定缺陷的K12?部位和大小。

點(diǎn)的波形,而后根據(jù)波形才確定聲時(shí)值和聲幅值,若

樁基砼是均質(zhì)的,聲波波形有兩頭小、中間大、同頻率(如圖2所示)等特征,若聲波經(jīng)過(guò)缺陷,聲波波形就會(huì)明顯變化,當(dāng)缺陷特別嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)在波形上為聲幅很低、首波不易確認(rèn),頻率變小且同一波形中有不同頻率成分,比較容易直接判斷(如圖3)。

圖3 缺陷波波形圖

圖2 完好波標(biāo)準(zhǔn)波形

聲波波形能直觀反映某測(cè)點(diǎn)砼是否有缺陷。用

反射波法評(píng)價(jià)基樁完整性時(shí),可按波形好壞直接判斷某樁是否有缺陷,是否有嚴(yán)重的缺陷。同理,在聲波透射法檢測(cè)過(guò)程中,檢測(cè)人員檢測(cè)時(shí)面對(duì)單一測(cè)

在檢測(cè)時(shí),聲時(shí)、聲幅和波形三種曲線常出現(xiàn)后面三種情況:(1)某一測(cè)點(diǎn)聲時(shí)超判據(jù),而聲幅未超判據(jù),且波形完好時(shí);(2)聲時(shí)未超判據(jù),聲幅超判據(jù),波形除首波外其它正常;(3)聲時(shí)未超判據(jù),聲幅未超判據(jù),波形不正常(整個(gè)波形幅值較低)。下面對(duì)這三種情況進(jìn)行分析。

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楊明亮等:

聲波透射法對(duì)橋基樁質(zhì)量檢驗(yàn)的判別及分析63

第(1)種情況表示該處砼仍為均質(zhì)的,砼的強(qiáng)度略有變小,若聲時(shí)超標(biāo)不大(比正常的聲時(shí)差10～μs)且在一兩個(gè)加密點(diǎn)出現(xiàn),缺陷不影響樁的安全20 性能;或者因?yàn)闇y(cè)管彎曲,在測(cè)管拐點(diǎn)處數(shù)據(jù)超判據(jù),就不應(yīng)判該砼有缺陷。如圖4所示,此測(cè)線聲時(shí)超標(biāo)處無(wú)缺陷。

第(2)種情況表示該砼局部有細(xì)小氣泡或空洞,不影響樁的安全性能。

第(3)種情況表示換能器位于砼強(qiáng)度變化的界面處,往往預(yù)示著在該測(cè)點(diǎn)附近可能有更大形式的缺陷出現(xiàn)。某樁AB線從268號(hào)～280號(hào)連續(xù)7個(gè)加密點(diǎn)檢測(cè)的波形,第268號(hào)和280號(hào)波形是完好波,第272、274、276點(diǎn)的波形為嚴(yán)重缺陷的波形,而

270和278號(hào)為砼質(zhì)量漸變處的波形,如圖5所示, 第270號(hào)與278號(hào)波形高差為40mm,該圖同時(shí)說(shuō)明

了樁體內(nèi)的缺陷大多為漸變的,相鄰測(cè)點(diǎn)的波形圖也是漸變的。

在某樁檢測(cè)過(guò)程中,當(dāng)缺陷范圍較大且樁身長(zhǎng)度較短時(shí),此缺陷處測(cè)線聲時(shí)也不會(huì)超標(biāo);另外當(dāng)測(cè)管彎曲時(shí),測(cè)距越來(lái)越小,缺陷處的聲時(shí)有可能比測(cè)距較大處的聲時(shí)小得多,因此在此處測(cè)線有可能不會(huì)超標(biāo),但仍需判為缺陷。

因此在檢測(cè)過(guò)程中不能根據(jù)某單一指標(biāo)來(lái)確定是否有缺陷,而應(yīng)綜合各個(gè)指標(biāo)來(lái)分析是否有缺陷以及缺陷的范圍和程度。

圖4 某樁AB

測(cè)線的聲時(shí)和聲幅曲線圖

圖5 某缺陷附近連續(xù)6個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形圖 聲波透射法基樁完整性分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)前述的4點(diǎn)判據(jù),可對(duì)單一測(cè)結(jié)進(jìn)行完整

性評(píng)價(jià),還不能對(duì)樁身完整性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在進(jìn)行樁身綜合評(píng)價(jià)時(shí),必須綜合考慮所有測(cè)線才能作出較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

目前,還沒(méi)有統(tǒng)一、通用的關(guān)于聲波透射法基樁分類標(biāo)準(zhǔn)。在一大型工程項(xiàng)目中,若多家檢測(cè)單位執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,將給管理單位帶來(lái)許多不便。某高速公路建設(shè)指揮部統(tǒng)一規(guī)定了超聲波透射法基樁完整性分類標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則,如下: Ⅰ類 測(cè)點(diǎn)聲時(shí)、波幅均正常,無(wú)超判據(jù)現(xiàn)象;Ⅱ類 測(cè)點(diǎn)聲時(shí)偏高,單一測(cè)線局部超判據(jù);? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.6

4土 工 基 礎(chǔ)

2003 Ⅲ類 測(cè)點(diǎn)聲時(shí)偏高,樁身結(jié)構(gòu)不完整,有兩

條測(cè)線同一深度或一條測(cè)線連續(xù)較長(zhǎng)超判據(jù);Ⅳ類 測(cè)點(diǎn)聲時(shí)嚴(yán)重偏高,樁身同一深度三條測(cè)線有嚴(yán)重離析,或兩條測(cè)線同一深度連續(xù)較長(zhǎng)有明顯異常反應(yīng),超判據(jù)。

該分類標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn):①分類標(biāo)準(zhǔn)明確,容易操作,非專業(yè)人員也能理解;②可重復(fù)性強(qiáng),當(dāng)多家單位檢測(cè)同一根樁時(shí),檢測(cè)結(jié)果基本一致;③防止各檢測(cè)單位對(duì)缺陷樁的嚴(yán)重程度任意作解釋,便于主管單位管理控制。該分類標(biāo)準(zhǔn)的不足之處: ①該分類標(biāo)準(zhǔn)是建立平測(cè)法基礎(chǔ)上,未考慮斜測(cè)法的使用;②該分類標(biāo)準(zhǔn)基于聲時(shí)變化,未考慮聲幅的變化和波形的變化;③同樣大小的缺陷在樁橫截面上出現(xiàn)的部位不同,其樁的分類就可能不同。例如在當(dāng)某一較小范圍的缺陷接近某測(cè)管時(shí),導(dǎo)致兩條測(cè)線在同一部位超判據(jù),該樁可能被判定為Ⅲ類樁。當(dāng)這一較小范圍的缺陷在某一測(cè)線中點(diǎn)附近時(shí),導(dǎo)致一條測(cè)線超判據(jù),該樁被判定為Ⅱ類樁。當(dāng)這一較小范圍的缺陷在樁中心附近時(shí),無(wú)任何測(cè)線超判據(jù),該樁被判定為Ⅰ類樁;④該分類標(biāo)準(zhǔn)未考慮缺陷在豎向上出現(xiàn)的部位。

若樁身砼強(qiáng)度降低,而截面積未減小,樁身截面 積A=3.14×1.52=1.767m2,不考慮鋼筋影響,根據(jù)(6)式可得Ra>6.58N/mm2。即樁身砼強(qiáng)度等級(jí)為C15時(shí)也能滿足豎向承載力要求。

若樁身砼強(qiáng)度不變,而截面積減小,不考慮鋼筋影響,根據(jù)(2)式可得樁身截面積A>0.80m2。即缺陷范圍為樁身截面積的1/2時(shí)也能滿足豎向承載力要求。

缺陷部位除校核豎向承載力外,還要校核抗彎、抗剪承載力,特別是缺陷位于樁上部時(shí)。

當(dāng)缺陷深度Z滿足下式時(shí), Z>4.0/αα=(3)式中α:—地基變形系數(shù);E—樁身砼彈模;C25的 砼彈模為2.8×104MPa;I—樁截面慣性矩,樁徑為1.5m時(shí),I為0.2485m4;m—地基土水平抗力系數(shù)的

比例系數(shù),不同土層m值可查相關(guān)規(guī)范;b—計(jì)算寬度,b=0.9(d+1)=2.25m;d—樁直徑一般為1.5m。在水平荷載作用下,當(dāng)缺陷深度S超過(guò)4.0/α?xí)r,樁身內(nèi)的彎矩M和剪力Q可忽略不計(jì),缺陷部位不承受水平向載荷。

因此,在采用平測(cè)法結(jié)合兩次斜測(cè)法確定缺陷的范圍以及采用鉆孔取芯法確定缺陷部位砼的強(qiáng)度后,校核缺陷是否滿足豎向承載力要求。某段高速公路橋基樁大多為嵌巖樁,嵌巖段的荷載傳遞特征是荷載首先通過(guò)側(cè)阻力傳遞于嵌巖段的側(cè)壁,在產(chǎn)生一定剪切變形后(一般相對(duì)位移小于2～4mm),一部分荷載才傳遞至樁底。由于嵌巖段的單位側(cè)阻力比土層高很多,因而端阻所占比例較低,當(dāng)嵌巖深度超過(guò)5倍樁徑時(shí),傳遞至樁端的應(yīng)力已接近于零。據(jù)此特征可對(duì)嵌巖深度超過(guò)5倍樁徑的樁基,當(dāng)樁底有兩個(gè)測(cè)線出現(xiàn)不密實(shí)的情況下,可考慮不進(jìn)行任何處理。6 樁身完整性評(píng)價(jià)與承載力關(guān)系

樁身完整性與承載力具有一定相關(guān)性,樁身存在較大缺陷的樁其承載力往往也難以保證,但是根據(jù)樁身完整性評(píng)價(jià)判定的Ⅲ、Ⅳ類樁其承載力往往也可以滿足工程需要。這主要從缺陷相對(duì)于樁徑的大小,缺陷形式、缺陷部位來(lái)綜合判定。

例如:某高速公路橋基樁采用1.5m樁徑,C25混凝土成樁,成樁工藝為非擠密樁,豎向承載力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為7000kN。樁截面強(qiáng)度應(yīng)滿足下列表達(dá)式: r0S≤R)(2)RaA+Rg′Ag′ rcrs 式中:r0—建筑物重要性系數(shù),對(duì)于高速公路橋基取 γb(R=φ 7 結(jié)束語(yǔ)

聲波透射法在橋梁基樁完整性評(píng)價(jià)中是比較準(zhǔn)確可靠的,其檢測(cè)結(jié)果,可對(duì)有缺陷的部位實(shí)施處理措施時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)。在檢測(cè)時(shí),對(duì)有缺陷的樁應(yīng)持慎重的態(tài)度,不要漏判缺陷,也不要夸大缺陷的嚴(yán)重程度,必要時(shí)可結(jié)合反射波法和鉆孔取芯進(jìn)行綜 合評(píng)價(jià)。本著實(shí)事求是的原則,對(duì)有缺陷的樁進(jìn)行 1.2;S—樁頂軸處壓力設(shè)計(jì)值,7000kN;R—樁截面 的承載力設(shè)計(jì)值;φ—樁的縱向彎曲系數(shù),取0.95,Ra—混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度,C25的混凝土為14.5N/mm2;A—樁身截面積;rb—構(gòu)件工作條件系數(shù),取0.95;rc—混凝土的安全系數(shù),取1.25;R′縱向鋼筋g— 抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度;A′縱向鋼筋截面積。g—

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楊明亮等:

聲波透射法對(duì)橋基樁質(zhì)量檢驗(yàn)的判別及分析65承載力校核,對(duì)能滿足各項(xiàng)承載力要求的樁不必進(jìn)

行加固處理,從而減少不必要的浪費(fèi)和損失。參 考 文 獻(xiàn) 基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.2 公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院,1999.3 周國(guó)鈞等.灌注樁設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].地震出版社,1993.DeterminationandAnalysisofSoundWavePenetrationin MonitoringPileFoundation YangMingliang

1QuanYuanyuan2 LiJianmin

3JiangShangguo1(1.WuhanInst.ofRock&SoilMech.430071;2.HubeiTianyuEng.CostConsultantCo.Ltd430071)Abstract

Theprinciple,methods,integrityanddefectandhowtocheckoutthebearingcapacityofdefectivepilesinbridgepiesfoundationsbyultrasounicpenetrationareanalyzed.ultrasonicpenetration,monitoringofpiles,pileintegrityKeywords

(上接第48頁(yè))下,孔隙水壓力、總應(yīng)力、有效應(yīng)力的改變量分別為

一常量。地面沉降是由疏干帶內(nèi)的土層及穩(wěn)定水位 以下含水層的壓密所引起。

(3)半承壓含水系統(tǒng)———越流———減壓型:由于 半承壓含水系統(tǒng)具有相鄰?fù)杆畬拥臐B流補(bǔ)給及相 鄰含水層的越流補(bǔ)給,弱透水層和抽水含水層的有 效應(yīng)力均發(fā)生變化,抽水含水層及弱透水層均產(chǎn)生

壓縮。弱透水層的滲流壓密是引起地面沉降的又一原因,計(jì)算地面沉降時(shí),不能忽視弱透水層的壓密量。參 考 文 獻(xiàn)1 王大純,張人權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].地質(zhì)出版社,1981.2 陳仲頤,等.土力學(xué)[M].清華大學(xué)出版社,1994.3 趙清平.深基坑降水引起地面不均勻沉降問(wèn)題的研究[D].武漢 理工大學(xué)碩士論文,2002.TheStressoftheAquiferofDrawdownChangesModels ZhaoQingping

DingPing(WuhanDesign&ResearchInst.ofSinocoalInter.Eng.Group.430071)1 Abstract

Thispaperanalyzedstressvariationoftheaquiferbydrawdown,andpresentedthreemodelsofstressvariationespecially,to σanalyzevariationofeffectivestresspreciselyfigureouttheΔ′bydrawdown,andtheprecisiontocountorforecastgroundsettlementhasbeen greatlyincreased.Drawdown,aquifer,stressvariation,modelKeywords

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