橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范探討
2016-10-17
1 概述
西藏拉薩市納金大橋，位于拉薩市城郊，連接納金路和川藏公路。該橋主橋上部構(gòu)造采用70m+117m+117m+70m斜拉橋，納金大橋地質(zhì)條件為下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)均為摩擦樁。橋址區(qū)地層依次為松散卵石、稍密卵石含粗砂土、中密卵石含粗砂土、密實(shí)卵石含粗砂土。
圖1 納金大橋主橋樁位布置圖
2 提出問題
2.1 低應(yīng)變檢測(cè)法檢測(cè)樁基完整性原理及方法
2.1.1 測(cè)試原理。其檢測(cè)原理為：在被測(cè)樁頭施加一個(gè)瞬時(shí)激振力，使樁身產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，應(yīng)力波通過并沿樁身向下作質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)把樁看作一個(gè)一維彈性桿件，應(yīng)力波在樁身中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足一維波動(dòng)方程，即：
式中：
u——樁身軸線位移
E——彈性模量
c——應(yīng)力波傳播速度
ρ——質(zhì)量密度
當(dāng)樁身存在明顯波阻抗界面（如樁底、斷樁或嚴(yán)重離析等部位）或樁身截面積變化（如縮徑或擴(kuò)徑）部位，將產(chǎn)生反射波。經(jīng)接收放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可識(shí)別來自樁身不同部位的反射信息。檢測(cè)分析反射波的傳播時(shí)間、幅值、相位和波形特征，得出樁身缺陷的位置、大小、性質(zhì)等信息，最終對(duì)樁基的完整性給予評(píng)價(jià)。
2.1.2 測(cè)試方法?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，傳感器放置距樁心2/3R處且安裝位置平整盡可能使傳感器垂直于樁頭平面，用一特制的錘子敲擊樁頂，RSM-PRT（T）檢測(cè)儀采集樁身反應(yīng)曲線，并儲(chǔ)存起來，室內(nèi)用專用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算分析。測(cè)點(diǎn)布置示意圖參見圖2：
圖2 低應(yīng)變反射波法測(cè)點(diǎn)示意圖
2.1.3 測(cè)試儀器。低應(yīng)變檢測(cè)采用設(shè)備如下：（1）中科智創(chuàng)巖土技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RSM-PRT（T）檢測(cè)儀1臺(tái)；（2）加速度傳感器1只；（3）專用錘擊設(shè)備1個(gè)；（4）計(jì)算機(jī)軟件1套；（5）計(jì)算機(jī)1臺(tái)。
2.2 樁身完整性分類
根據(jù)《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01-2004）規(guī)定，樁身完整性類別應(yīng)按下表1劃分：
2.3 施工現(xiàn)場(chǎng)樁基完整性檢測(cè)結(jié)果
樁徑1.2m的摩擦樁設(shè)計(jì)文件中沒有布設(shè)聲測(cè)管，樁基完整性檢測(cè)采用低應(yīng)變檢測(cè)法。由樁基檢測(cè)原理我們知道，聲波在樁基內(nèi)傳播確定樁基的樁底和判斷樁基的完整性，檢測(cè)結(jié)果的好壞和判斷樁基完整性的根本是要在應(yīng)力波幅中看到樁底的反射信號(hào)，而后才是判斷樁基是否有斷樁、離析、夾層等完整性問題。由此得出，低應(yīng)變檢測(cè)樁基完整性的檢測(cè)中，判斷樁底信號(hào)是非常重要的。下面列舉幾個(gè)油低應(yīng)變檢測(cè)的聲波信號(hào)，下圖是2號(hào)樁的檢測(cè)分析數(shù)據(jù)，在重復(fù)檢測(cè)多次后才檢測(cè)到了微微的樁底信號(hào)：
經(jīng)過多次復(fù)測(cè)才檢測(cè)到了樁底的信號(hào)，像2號(hào)墩這樣的例子還有很多，大部分樁徑為1.2m的樁都是經(jīng)過了多次復(fù)測(cè)后才檢測(cè)出了樁底信號(hào)，才能給樁基的完整性判斷提供可靠依據(jù)。多次的重復(fù)檢測(cè)，不但給檢測(cè)人員增加了額外的工作量，增加了檢測(cè)成本，而且也給施工單位的上部結(jié)構(gòu)施工拖延了工期，造成了不必要的損失。特別是在西藏地區(qū)，地質(zhì)情況主要是以松散鵝卵石為主要地質(zhì)形式的地區(qū)，全年施工工期有限，是僅在夏季和秋季初才能施工的區(qū)域，這種由于檢測(cè)帶來的成本增加所造成的影響施工進(jìn)度問題就尤為突出。
通過咨詢相關(guān)設(shè)計(jì)人員及查閱《橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）和《樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2004）后筆者發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中并未明確規(guī)定樁基礎(chǔ)的完整性檢測(cè)要根據(jù)不同樁徑和樁周地質(zhì)情況而變化，而是建議設(shè)計(jì)人員在選擇是超聲波檢測(cè)或者是低應(yīng)變檢測(cè)樁基的完整性時(shí)查閱《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01-2004）。而在《公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01-2004）中也只是規(guī)定了各種檢測(cè)樁基完整性方法所適用的樁徑大小，同樣沒有對(duì)樁周地質(zhì)情況對(duì)低應(yīng)變檢測(cè)時(shí)會(huì)遇到的問題加以說明和建議或規(guī)定。以至于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初雖然滿足了設(shè)計(jì)規(guī)范，卻在特殊的地質(zhì)條件下從事低應(yīng)變檢測(cè)樁基完整性的工作人員帶來了
不便。
3 解決方法
在樁基的完整性檢測(cè)中除了低應(yīng)變檢測(cè)法，還有一種常用的檢測(cè)方法就是聲波透射法，該方法的測(cè)試原理及方法如下所述。
3.1 測(cè)試原理
混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性與外部環(huán)境條件等多種因素制約，其聲波傳播特性反映了混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)彈塑性介質(zhì)中波動(dòng)理論，應(yīng)力波波
速為：
式中：
E——介質(zhì)的動(dòng)態(tài)彈性模量
ρ——密度
μ——泊松比
而彈性模量與介質(zhì)的強(qiáng)度之間存在相關(guān)性。超聲波在混凝土中的傳播參數(shù)（聲時(shí)值、聲速、波幅、衰減系數(shù)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）之間的相關(guān)關(guān)系就是基樁超聲檢測(cè)的理論依據(jù)。當(dāng)混凝土介質(zhì)的構(gòu)成材料、均勻度、施工條件等內(nèi)、外因素基本一致時(shí)，超聲波在其中的傳播參數(shù)應(yīng)基本一致；而介質(zhì)中存在缺陷時(shí)，超聲波則在傳播過程中產(chǎn)生繞射、反射、衰減等現(xiàn)象，使其聲時(shí)、聲速、聲幅、頻譜等產(chǎn)生變化，高精密聲波發(fā)射-接收儀器及傳感器可記錄與描述混凝土的內(nèi)在質(zhì)量。
3.2 主要儀器設(shè)備
本次超聲檢測(cè)主要采用北京市康科瑞工程檢測(cè)技術(shù)公司生產(chǎn)的NM-4A非金屬超聲波檢測(cè)儀1臺(tái)及N-YH40園管形徑向換能器2只。 3.3 檢測(cè)方法
檢測(cè)前向所有受檢混凝土灌注樁預(yù)埋聲測(cè)管內(nèi)注滿清水，用鋼卷尺測(cè)量樁頂聲測(cè)管之間的凈距離。將聲波跨孔測(cè)試換能器分別置于預(yù)埋管中的兩個(gè)聲測(cè)孔的底部，以同一高度等距離同步移動(dòng)，逐點(diǎn)測(cè)讀聲學(xué)參數(shù)并記錄換能器所處深度，測(cè)點(diǎn)間距為20cm，樁基聲波透射法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖參見圖7。各測(cè)點(diǎn)發(fā)射與接收換能器累計(jì)相對(duì)高差不大于2cm，并隨時(shí)校正，當(dāng)發(fā)現(xiàn)讀數(shù)異常時(shí)，則對(duì)數(shù)據(jù)可疑的部位進(jìn)行復(fù)測(cè)或加密檢測(cè)。采用對(duì)測(cè)、斜測(cè)、交叉測(cè)及扇形掃測(cè)等方法，確定缺陷的位置和范圍。
在同一基樁檢測(cè)中，以每?jī)陕暅y(cè)管為一個(gè)測(cè)試剖面，分別對(duì)所有剖面進(jìn)行檢測(cè)，其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)聲測(cè)管編號(hào)示意圖參見圖8。
圖7 樁基聲波透射法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖
圖8 樁基聲波透射法聲波覆蓋面示意圖
3.4 數(shù)據(jù)處理及判定
樁身混凝土異常的臨界值用以下三種情況來判定：
3.4.1 聲速判據(jù)。超聲波在混凝土中的傳播速度（波速）Vp依據(jù)實(shí)測(cè)聲時(shí)值tp、測(cè)距L計(jì)算得出：
tp=t-t0-t’
式中：
t0——聲時(shí)值初讀數(shù)
t’——聲時(shí)值修正值
式中：
D——測(cè)管外徑
d——測(cè)管內(nèi)徑
d’——換能器外徑
Vt——檢測(cè)管壁厚度方向聲速
Vw——水的聲速
Vp=μp-2σv
μp（μt）、σv（σt）——波速平均值、波速標(biāo)準(zhǔn)差
當(dāng)實(shí)測(cè)混凝土聲速值低于聲速臨界值時(shí)，應(yīng)將其作為可疑缺陷區(qū)。
3.4.2 波幅判據(jù)。用波幅平均值減6dB作為波幅臨界值，當(dāng)實(shí)測(cè)波幅低于波幅臨界值時(shí)，應(yīng)將其作為可疑缺
陷區(qū)。
AD=Am-6
Am=
式中：
AD——波幅臨界值（dB）
Am——波幅平均值（dB）
Ai——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)波幅值（dB）
n——測(cè)點(diǎn)數(shù)
3.4.3 PSD判據(jù)。采用斜率法作為輔助異常判據(jù)，當(dāng)PSD值在某測(cè)點(diǎn)附近變化明顯時(shí)，應(yīng)將其作為可疑缺
陷區(qū)。
PSD=
式中：
tci——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)
tci-1——第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)
Zi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度
Zi-1——第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度
所以，我們能通過聲波透射法很輕易地檢測(cè)出樁基的完整性。對(duì)于混凝土聲速和波幅值出現(xiàn)異常并判為可疑缺陷區(qū)的部位，還可以采用水平加密、等差同步或扇形掃測(cè)等方法進(jìn)行細(xì)測(cè)，結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴(yán)重程度。
4 結(jié)語
根據(jù)以上所述聲波透射法檢測(cè)的原理，可以發(fā)現(xiàn)聲波透射法比低應(yīng)變法有很大的優(yōu)勢(shì)，即聲波透射法不受地質(zhì)條件的影響。所以筆者建議在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中可以加入一點(diǎn)，即根據(jù)地質(zhì)勘探的結(jié)果在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)如果地質(zhì)是松散卵石、稍密卵石含粗砂土、中密卵石含粗砂土、密實(shí)卵石含粗砂土等波阻抗與混凝土相近的地質(zhì)情況時(shí)，可以在設(shè)計(jì)之初就將樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為采用聲波透射法檢測(cè)樁基完整性。它通過預(yù)先埋好的聲測(cè)管，再通過水的耦合，可以快捷、準(zhǔn)確地檢測(cè)出樁基的完整性。不存在數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)诫娔X上后會(huì)有無法判定的問題，會(huì)給檢測(cè)人員帶來很大的方便，同時(shí)也不會(huì)由于重復(fù)檢測(cè)而給施工單位造成拖延工期的問題。
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作者簡(jiǎn)介：杜建華（1983—），男，河北保定人，招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司助理工程師，碩士，研究方向：橋梁檢測(cè)與加固。
