武廣鐵路客運專線混凝土樁基檢測方法及其比選

蔡榮喜

(武廣鐵路客運專線有限公司安質部,武漢 430060)

1 概述

武廣鐵路客運專線在橋梁工程和路基工程中大量使用了混凝土樁基；這些工程地質條件復雜,采用的樁基形式各不相同,如何快速準確地檢驗樁基質量,關鍵在于選擇合適的檢測方法。樁基檢測工作是一項復雜的系統工程,檢測方法,檢測人員的經驗和技術水平、檢測設備、地質情況、樁基工程參數等對樁基檢測工作的質量和樁基檢測評定結果的可靠性都有影響。目前常用的樁基檢測方法有：低應變反射波法(瞬時激振時域頻域分析法)、超聲波透射法和鉆孔取芯法等。

2 低應變反射波法

低應變反射波法是目前應用最為廣泛的樁基檢測方法,即采用低能量瞬態激振方式對樁頂施加沖擊荷載,實測樁頂部的加速度(或速度)時程曲線,通過波動理論的時域分析,對樁身完整性進行判定的檢測方法。

2.1 優點

低應變反射波法具有檢測快捷方便、效率高、能夠實時做出判斷、對工期基本無影響、屬無損檢測、檢測費用較低等特點。該方法主要用來檢查樁身完整性,并可檢查縮徑、擴徑、夾泥、斷樁、空洞、離析、沉渣,核對樁長、推算混凝土強度；是目前應用最廣泛的樁基質量檢測方法。

2.2 缺點

低應變反射波法受彈性波傳播特性和激發能量的制約較大；判別時受到的干擾因素較多,如：缺陷反射、地質變層反射、樁端持力層巖性、樁身截面突變、激振方式選用、樁頭的處理情況等都會對判別結果造成影響。

(1)樁周土層對波形曲線有影響,樁周土層的土力學性能越好,應力波在樁周土層中的損耗就越大。同時受樁周土層的土模量大小的影響。在硬土層處將會產生為似擴徑的反射波,在軟土層處將會產生由于應力波透射損耗小而產生似縮徑的反射波。如果不考慮樁周土層對所采集曲線的影響,不了解樁側的土質情況,有時會造成誤判。

(2)較難識別樁身淺部的缺陷,因為在本質無論大樁還是小樁,樁頂近端都不可以完全套用一維應力波理論,應該用三維效應展開討論。

(3)缺乏對缺陷程度的定量分析。應力波反射法靠單一的波形特征,要想定量給出離析段厚度、沉渣厚度、裂隙寬度及縮徑程度的準確值是不可能的。

(4)第二缺陷判斷困難。當第一缺陷較大時,阻斷了信號的上行與下達,給深部缺陷和樁底的識別增加了困難,特別是當第二缺陷為第一缺陷的兩倍時更難以識別。

(5)漸變缺陷波形曲線失真。對于樁徑緩慢變大然后突然縮徑的樁,在曲線上往往不能分辨出擴徑現象而只看到縮徑現象,對于這種突變的樁,在曲線上表現為縮徑的信號。

2.3 適用樁形

低應變反射波法適用于地質條件簡單、樁長小于50 m或樁徑小于1.5 m以下的樁基完整性檢測,也可用于大面積樁基質量普查。

2.4 檢測實例

武廣鐵路客運專線某大橋4號墩,設計樁徑1.0 m,設計樁長21 m,樁身混凝土齡期45 d,混凝土強度等級C30；地質情況:從地表向下依次為粉質黏土-強風化-弱風化泥質板巖,同一個基坑里的每個樁地質情況變化很大,在對2號樁進行低應變法檢測時波形如圖1所示。

圖1 低應變法檢測波形一(樁號04-02A)

對上述單個波形分析,若以圖上A點為樁底,對應波速為6 200 m/s,顯然超過了C30強度等級混凝土的波速了；所以僅從低應變角度分析,要么此樁在A處斷了,要么有嚴重缺陷。以本橋的平均波速4 300 m/s計算,A點位置在14.5 m附近。再對此樁進行聲波透射法檢測,數據見表1。

表1 聲波透射法檢測數據一

通過對聲波透射法數據分析,發現此樁在14.5 m附近并沒有出現異常情況。

后對2號樁取芯驗證,發現樁身混凝土質量完好,在14.5 m附近沒有缺陷,對應地質資料,分析得A點出現的同向反射應為入巖信號的上半部,下半部的反向反射表現的不明顯。這種情況單從低應變波形上看就很容易出錯.在樁身混凝土質量判斷能力上來看,超聲波明顯比低應變準確性要高很多且不受樁位地質變化影響。

3 聲波透射法

聲波透射法是在樁身預埋聲測管之間發射并接收聲波,通過實測聲波在混凝土介質中傳播的聲時、頻率和波幅衰減等聲學參數的相對變化,對樁身完整性進行判定的檢測方法。

3.1 優點

聲波透射法具有檢測細致,屬無損檢測、檢測結果準確性高、可估算混凝土強度；不受樁長和樁徑限制、對樁長的判定直觀有效、干擾因素少；檢測無盲區、聲測管埋到什么部位就可以檢測到什么部位、包括樁頂低強度區和樁底沉渣厚度；只要聲測管外露長度符合要求,無需樁頂露出地面也可檢測、對施工影響小。

3.2 缺點

聲波透射法需要事先埋設聲測管,檢測費用較高；當聲測管和混凝土握裹不好或管周圍存在局部泥團時,可能會反應為嚴重的斷樁信號,容易造成誤判或重判。

3.3 適用樁形

聲波透射法適用于地質條件復雜、樁長大于50 m或樁徑大于1.5 m以上的樁基完整性檢測；也可用于低應變反射波法等間接樁基檢測方法的驗證。

3.4 檢測實例

武廣鐵路客運專線某大橋3號墩,設計樁徑1.25 m,設計樁長15.5 m,樁身混凝土齡期36 d,混凝土強度等級C30；地質情況:從地表向下依次為粉質黏土、黏土、強風化頁巖。對此樁進行了低應變檢測波形如圖2所示。

圖2 低應變法檢測波形二(樁號3-3)

分析發現在C點處有一時顯的同向反射波形,從波形上來看應為離析、縮頸類缺陷。以此橋的平均波速4 300 m/s,計算得C點位置為3.5 m附近。再對此樁某斷面進行聲波透射法檢測,數據見表2。

表2 聲波透射法檢測數據二

從聲波透射法數據來分析,此樁在3.5 m附近沒有缺陷。為了查找此處低應變反射波法出現同向反射的原因,經開挖驗證,此樁在3.4 m處有一段約50 cm縮頸,鋼筋籠沒有外露。對比得出低應變法對樁的潛層缺陷(盲區以外)較敏感,聲波透射法對聲測管以外的區域沒有檢測能力。

4 鉆芯法

鉆芯法是用鉆機鉆取樁身混凝土及樁底持力層芯樣,判定樁身完整性及樁底巖土性狀的檢測方法。鉆芯法是一種直接檢測方法,不受場地條件限制,可以直觀判斷樁長、樁身混凝土強度、樁底沉渣厚度、樁端持力層巖土性狀和樁身完整性；檢測結果準確性高,但檢測速度慢、對樁身有一定的破壞性,檢測費用較高,且屬于“一孔之見”,檢測結果判定受到鉆孔位置和數量的制約；該方法適用于大直徑樁基或用于對其他樁基檢測方法的驗證檢測。

武廣鐵路客運專線某大橋12號墩,設計樁徑1.25 m,齡期28 d,設計樁長20 m,混凝土強度等級C30,地質情況:從地表向下依次為粉質黏土、黏土、強風化頁巖。對此樁某斷面進行聲波透射法檢測,數據見表3。

表3 聲波透射法檢測數據三

從聲波透射法數據來分析,此樁在7.5～7.75 m附近有離析類缺陷。

再對此樁進行了低應變檢測波形如圖3所示。

圖3 低應變法檢測波形三

以平均波速4 225 m/s,分析看來此樁身完整性很好,沒有缺陷；顯然與聲波透射法結果不符。

在此情況下采用鉆芯法檢測驗證,此樁在7.5 m處有一段約50 cm混凝土芯樣呈短柱狀,芯樣吻合率不太好。后經過查看地質資料,發現在7 m附近樁已經進入巖層,受地質影響,低應變測試此處的缺陷信號被削弱或掩蔽。對比得出聲波透射法對于較輕的缺陷測試時優于低應變反射波法,且比低應變反射波法更準確直接。

5 結語

樁基完整性檢測方法各有其技術特點和適用性,低應變法對樁基淺部缺陷較敏感,但受地質條件影響較大；聲波透射法對于較輕的缺陷測試時優于低應變反射波法,且更為準確,但對聲測管以外的區域沒有檢測能力；鉆芯法雖然能夠直觀體現樁基質量,但檢測時間長,且僅能說明取芯部位,不能全面反應樁基質量狀況。綜上所述在選擇樁基檢測方法時,應結合工程地質情況、樁基類型、施工工藝、設計要求和檢測費用等因素,綜合考慮,合理選擇。既要滿足快速檢測,又要確保檢測結果的準確性和可靠性,這也是服務施工,保證樁基質量的要求。

[1] 鐵建設[2005]160號,客運專線鐵路橋涵工程施工質量驗收暫行標準[S].

[2] TB10218—99,鐵路工程基樁無損檢測規程[S].

[3] 鐵建設[2005]160號，客運專線鐵路橋涵工程施工質量驗收暫行標準[S].

[4] TZ213—2005，客運專線鐵路橋涵工程施工技術指南[S].