橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計規(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)變檢測法檢測樁基完整性原理及方法
2.1.1 測試原理。其檢測原理為：在被測樁頭施加一個瞬時激振力，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)點運動，同時把樁看作一個一維彈性桿件，應(yīng)力波在樁身中的運動規(guī)律滿足一維波動方程，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
當樁身存在明顯波阻抗界面（如樁底、斷樁或嚴重離析等部位）或樁身截面積變化（如縮徑或擴徑）部位，將產(chǎn)生反射波。經(jīng)接收放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息。檢測分析反射波的傳播時間、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，最終對樁基的完整性給予評價。
2.1.2 測試方法。現(xiàn)場測試時，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）檢測儀采集樁身反應(yīng)曲線，并儲存起來，室內(nèi)用專用計算機軟件進行計算分析。測點布置示意圖參見圖2：
圖2 低應(yīng)變反射波法測點示意圖
2.1.3 測試儀器。低應(yīng)變檢測采用設(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）檢測儀1臺；（2）加速度傳感器1只；（3）專用錘擊設(shè)備1個；（4）計算機軟件1套；（5）計算機1臺。
2.2 樁身完整性分類
根據(jù)《公路工程基樁動測技術(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)場樁基完整性檢測結(jié)果
樁徑1.2m的摩擦樁設(shè)計文件中沒有布設(shè)聲測管，樁基完整性檢測采用低應(yīng)變檢測法。由樁基檢測原理我們知道，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，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)變檢測樁基完整性的檢測中，判斷樁底信號是非常重要的。下面列舉幾個油低應(yīng)變檢測的聲波信號，下圖是2號樁的檢測分析數(shù)據(jù)，在重復(fù)檢測多次后才檢測到了微微的樁底信號：
經(jīng)過多次復(fù)測才檢測到了樁底的信號，像2號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)測后才檢測出了樁底信號，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，不但給檢測人員增加了額外的工作量，增加了檢測成本，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，這種由于檢測帶來的成本增加所造成的影響施工進度問題就尤為突出。
通過咨詢相關(guān)設(shè)計人員及查閱《橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）和《樁基礎(chǔ)設(shè)計規(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)計人員在選擇是超聲波檢測或者是低應(yīng)變檢測樁基的完整性時查閱《公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01-2004）。而在《公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01-2004）中也只是規(guī)定了各種檢測樁基完整性方法所適用的樁徑大小，同樣沒有對樁周地質(zhì)情況對低應(yīng)變檢測時會遇到的問題加以說明和建議或規(guī)定。以至于設(shè)計人員在設(shè)計之初雖然滿足了設(shè)計規(guī)范，卻在特殊的地質(zhì)條件下從事低應(yīng)變檢測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中除了低應(yīng)變檢測法，還有一種常用的檢測方法就是聲波透射法，該方法的測試原理及方法如下所述。
3.1 測試原理
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)中波動理論，應(yīng)力波波
速為：
式中：
E——介質(zhì)的動態(tài)彈性模量
ρ——密度
μ——泊松比
而彈性模量與介質(zhì)的強度之間存在相關(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（動彈模、密度、強度等）之間的相關(guān)關(guān)系就是基樁超聲檢測的理論依據(jù)。當混凝土介質(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，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，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、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
本次超聲檢測主要采用北京市康科瑞工程檢測技術(shù)公司生產(chǎn)的NM-4A非金屬超聲波檢測儀1臺及N-YH40園管形徑向換能器2只。 3.3 檢測方法
檢測前向所有受檢混凝土灌注樁預(yù)埋聲測管內(nèi)注滿清水，用鋼卷尺測量樁頂聲測管之間的凈距離。將聲波跨孔測試換能器分別置于預(yù)埋管中的兩個聲測孔的底部，以同一高度等距離同步移動，逐點測讀聲學(xué)參數(shù)并記錄換能器所處深度，測點間距為20cm，樁基聲波透射法現(xiàn)場檢測示意圖參見圖7。各測點發(fā)射與接收換能器累計相對高差不大于2cm，并隨時校正，當發(fā)現(xiàn)讀數(shù)異常時，則對數(shù)據(jù)可疑的部位進行復(fù)測或加密檢測。采用對測、斜測、交叉測及扇形掃測等方法，確定缺陷的位置和范圍。
在同一基樁檢測中，以每兩聲測管為一個測試剖面，分別對所有剖面進行檢測，其現(xiàn)場檢測聲測管編號示意圖參見圖8。
圖7 樁基聲波透射法現(xiàn)場檢測示意圖
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)實測聲時值tp、測距L計算得出：
tp=t-t0-t’
式中：
t0——聲時值初讀數(shù)
t’——聲時值修正值
式中：
D——測管外徑
d——測管內(nèi)徑
d’——換能器外徑
Vt——檢測管壁厚度方向聲速
Vw——水的聲速
Vp=μp-2σv
μp（μt）、σv（σt）——波速平均值、波速標準差
當實測混凝土聲速值低于聲速臨界值時，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，當實測波幅低于波幅臨界值時，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個測點相對波幅值（dB）
n——測點數(shù)
3.4.3 PSD判據(jù)。采用斜率法作為輔助異常判據(jù)，當PSD值在某測點附近變化明顯時，應(yīng)將其作為可疑缺
陷區(qū)。
PSD=
式中：
tci——第i個測點的聲時
tci-1——第i-1個測點的聲時
Zi——第i個測點的深度
Zi-1——第i-1個測點的深度
所以，我們能通過聲波透射法很輕易地檢測出樁基的完整性。對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等方法進行細測，結(jié)合波形分析確定樁身混凝土缺陷的位置及其嚴重程度。
4 結(jié)語
根據(jù)以上所述聲波透射法檢測的原理，可以發(fā)現(xiàn)聲波透射法比低應(yīng)變法有很大的優(yōu)勢，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)計規(guī)范中可以加入一點，即根據(jù)地質(zhì)勘探的結(jié)果在設(shè)計樁基礎(chǔ)時如果地質(zhì)是松散卵石、稍密卵石含粗砂土、中密卵石含粗砂土、密實卵石含粗砂土等波阻抗與混凝土相近的地質(zhì)情況時，可以在設(shè)計之初就將樁基礎(chǔ)設(shè)計為采用聲波透射法檢測樁基完整性。它通過預(yù)先埋好的聲測管，再通過水的耦合，可以快捷、準確地檢測出樁基的完整性。不存在數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)诫娔X上后會有無法判定的問題，會給檢測人員帶來很大的方便，同時也不會由于重復(fù)檢測而給施工單位造成拖延工期的問題。
參考文獻
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作者簡介：杜建華（1983—），男，河北保定人，招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司助理工程師，碩士，研究方向：橋梁檢測與加固。
