武廣鐵路客運(yùn)專線混凝土樁基檢測方法及其比選

蔡榮喜

(武廣鐵路客運(yùn)專線有限公司安質(zhì)部,武漢 430060)

1 概述

武廣鐵路客運(yùn)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(zhì)條件復(fù)雜,采用的樁基形式各不相同,如何快速準(zhǔn)確地檢驗(yàn)樁基質(zhì)量,關(guān)鍵在于選擇合適的檢測方法。樁基檢測工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,檢測方法,檢測人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平、檢測設(shè)備、地質(zhì)情況、樁基工程參數(shù)等對樁基檢測工作的質(zhì)量和樁基檢測評定結(jié)果的可靠性都有影響。目前常用的樁基檢測方法有：低應(yīng)變反射波法(瞬時(shí)激振時(shí)域頻域分析法)、超聲波透射法和鉆孔取芯法等。

2 低應(yīng)變反射波法

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

2.1 優(yōu)點(diǎn)

低應(yīng)變反射波法具有檢測快捷方便、效率高、能夠?qū)崟r(shí)做出判斷、對工期基本無影響、屬無損檢測、檢測費(fèi)用較低等特點(diǎn)。該方法主要用來檢查樁身完整性,并可檢查縮徑、擴(kuò)徑、夾泥、斷樁、空洞、離析、沉渣,核對樁長、推算混凝土強(qiáng)度；是目前應(yīng)用最廣泛的樁基質(zhì)量檢測方法。

2.2 缺點(diǎn)

低應(yīng)變反射波法受彈性波傳播特性和激發(fā)能量的制約較大；判別時(shí)受到的干擾因素較多,如：缺陷反射、地質(zhì)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(jié)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(xué)性能越好,應(yīng)力波在樁周土層中的損耗就越大。同時(shí)受樁周土層的土模量大小的影響。在硬土層處將會產(chǎn)生為似擴(kuò)徑的反射波,在軟土層處將會產(chǎn)生由于應(yīng)力波透射損耗小而產(chǎn)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(cè)的土質(zhì)情況,有時(shí)會造成誤判。

(2)較難識別樁身淺部的缺陷,因?yàn)樵诒举|(zhì)無論大樁還是小樁,樁頂近端都不可以完全套用一維應(yīng)力波理論,應(yīng)該用三維效應(yīng)展開討論。

(3)缺乏對缺陷程度的定量分析。應(yīng)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(zhǔn)確值是不可能的。

(4)第二缺陷判斷困難。當(dāng)?shù)谝蝗毕葺^大時(shí),阻斷了信號的上行與下達(dá),給深部缺陷和樁底的識別增加了困難,特別是當(dāng)?shù)诙毕轂榈谝蝗毕莸膬杀稌r(shí)更難以識別。

(5)漸變?nèi)毕莶ㄐ吻€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(kuò)徑現(xiàn)象而只看到縮徑現(xiàn)象,對于這種突變的樁,在曲線上表現(xiàn)為縮徑的信號。

2.3 適用樁形

低應(yīng)變反射波法適用于地質(zhì)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(zhì)量普查。

2.4 檢測實(shí)例

武廣鐵路客運(yùn)專線某大橋4號墩,設(shè)計(jì)樁徑1.0 m,設(shè)計(jì)樁長21 m,樁身混凝土齡期45 d,混凝土強(qiáng)度等級C30；地質(zhì)情況:從地表向下依次為粉質(zhì)黏土-強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化泥質(zhì)板巖,同一個(gè)基坑里的每個(gè)樁地質(zhì)情況變化很大,在對2號樁進(jìn)行低應(yīng)變法檢測時(shí)波形如圖1所示。

圖1 低應(yīng)變法檢測波形一(樁號04-02A)

對上述單個(gè)波形分析,若以圖上A點(diǎn)為樁底,對應(yīng)波速為6 200 m/s,顯然超過了C30強(qiáng)度等級混凝土的波速了；所以僅從低應(yīng)變角度分析,要么此樁在A處斷了,要么有嚴(yán)重缺陷。以本橋的平均波速4 300 m/s計(jì)算,A點(diǎn)位置在14.5 m附近。再對此樁進(jìn)行聲波透射法檢測,數(shù)據(jù)見表1。

表1 聲波透射法檢測數(shù)據(jù)一

通過對聲波透射法數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)此樁在14.5 m附近并沒有出現(xiàn)異常情況。

后對2號樁取芯驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)樁身混凝土質(zhì)量完好,在14.5 m附近沒有缺陷,對應(yīng)地質(zhì)資料,分析得A點(diǎn)出現(xiàn)的同向反射應(yīng)為入巖信號的上半部,下半部的反向反射表現(xiàn)的不明顯。這種情況單從低應(yīng)變波形上看就很容易出錯(cuò).在樁身混凝土質(zhì)量判斷能力上來看,超聲波明顯比低應(yīng)變準(zhǔn)確性要高很多且不受樁位地質(zhì)變化影響。

3 聲波透射法

聲波透射法是在樁身預(yù)埋聲測管之間發(fā)射并接收聲波,通過實(shí)測聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的聲時(shí)、頻率和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的相對變化,對樁身完整性進(jìn)行判定的檢測方法。

3.1 優(yōu)點(diǎn)

聲波透射法具有檢測細(xì)致,屬無損檢測、檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高、可估算混凝土強(qiáng)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(qū)、聲測管埋到什么部位就可以檢測到什么部位、包括樁頂?shù)蛷?qiáng)度區(qū)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(diǎn)

聲波透射法需要事先埋設(shè)聲測管,檢測費(fèi)用較高；當(dāng)聲測管和混凝土握裹不好或管周圍存在局部泥團(tuán)時(shí),可能會反應(yīng)為嚴(yán)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(zhì)條件復(fù)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(yīng)變反射波法等間接樁基檢測方法的驗(yàn)證。

3.4 檢測實(shí)例

武廣鐵路客運(yùn)專線某大橋3號墩,設(shè)計(jì)樁徑1.25 m,設(shè)計(jì)樁長15.5 m,樁身混凝土齡期36 d,混凝土強(qiáng)度等級C30；地質(zhì)情況:從地表向下依次為粉質(zhì)黏土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化頁巖。對此樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測波形如圖2所示。

圖2 低應(yīng)變法檢測波形二(樁號3-3)

分析發(fā)現(xiàn)在C點(diǎn)處有一時(shí)顯的同向反射波形,從波形上來看應(yīng)為離析、縮頸類缺陷。以此橋的平均波速4 300 m/s,計(jì)算得C點(diǎn)位置為3.5 m附近。再對此樁某斷面進(jìn)行聲波透射法檢測,數(shù)據(jù)見表2。

表2 聲波透射法檢測數(shù)據(jù)二

從聲波透射法數(shù)據(jù)來分析,此樁在3.5 m附近沒有缺陷。為了查找此處低應(yīng)變反射波法出現(xiàn)同向反射的原因,經(jīng)開挖驗(yàn)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(yīng)變法對樁的潛層缺陷(盲區(qū)以外)較敏感,聲波透射法對聲測管以外的區(qū)域沒有檢測能力。

4 鉆芯法

鉆芯法是用鉆機(jī)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(qiáng)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(jié)果準(zhǔn)確性高,但檢測速度慢、對樁身有一定的破壞性,檢測費(fèi)用較高,且屬于“一孔之見”,檢測結(jié)果判定受到鉆孔位置和數(shù)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(yàn)證檢測。

武廣鐵路客運(yùn)專線某大橋12號墩,設(shè)計(jì)樁徑1.25 m,齡期28 d,設(shè)計(jì)樁長20 m,混凝土強(qiáng)度等級C30,地質(zhì)情況:從地表向下依次為粉質(zhì)黏土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化頁巖。對此樁某斷面進(jìn)行聲波透射法檢測,數(shù)據(jù)見表3。

表3 聲波透射法檢測數(shù)據(jù)三

從聲波透射法數(shù)據(jù)來分析,此樁在7.5～7.75 m附近有離析類缺陷。

再對此樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測波形如圖3所示。

圖3 低應(yīng)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(jié)果不符。

在此情況下采用鉆芯法檢測驗(yàn)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(jīng)過查看地質(zhì)資料,發(fā)現(xiàn)在7 m附近樁已經(jīng)進(jìn)入巖層,受地質(zhì)影響,低應(yīng)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(shí)優(yōu)于低應(yīng)變反射波法,且比低應(yīng)變反射波法更準(zhǔn)確直接。

5 結(jié)語

樁基完整性檢測方法各有其技術(shù)特點(diǎn)和適用性,低應(yīng)變法對樁基淺部缺陷較敏感,但受地質(zhì)條件影響較大；聲波透射法對于較輕的缺陷測試時(shí)優(yōu)于低應(yīng)變反射波法,且更為準(zhǔn)確,但對聲測管以外的區(qū)域沒有檢測能力；鉆芯法雖然能夠直觀體現(xiàn)樁基質(zhì)量,但檢測時(shí)間長,且僅能說明取芯部位,不能全面反應(yīng)樁基質(zhì)量狀況。綜上所述在選擇樁基檢測方法時(shí),應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)情況、樁基類型、施工工藝、設(shè)計(jì)要求和檢測費(fèi)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(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,這也是服務(wù)施工,保證樁基質(zhì)量的要求。

[1] 鐵建設(shè)[2005]160號,客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] TB10218—99,鐵路工程基樁無損檢測規(guī)程[S].

[3] 鐵建設(shè)[2005]160號，客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] TZ213—2005，客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].