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桩基工程及其检测概述
桩基是各类建筑物基础的一种常用型式,随着我国工程建设事业的蓬勃发展,铁路、公路、港口码头及城市建设得到了迅速发展。
桥梁、搭架、重型构筑物、堤坝、
高层建筑及海上采油平台以至核电站等工程大量采用桩基础。
桩基工程是整体工程的基础,它的重要性受到工程界的普遍关注。
桩基工程是一个交隐蔽的工程,由于监督困难和地质环境多变,桩基检测迫在眉睫,要求快速准确高效的检测桩基的缺陷,给工程项目一个准确客观的评价,使的工程建设施工在第一时间内排除工程隐患,安全健康的施工建设。
超声波法在工程检测中的一种常用方法,他的高效快速准确在实际生产中的到广泛的应用,此方法已纳入国家规范之中。
倍受建筑工程的青睐。
在桩基检测中对于几种桩基桩身完整性检测方法,钻芯法是较为可靠、直观的检测手段,但该法只能反映局部范围内桩基的质量,且很难使用于长桩低应变动测法是目前认为较能准确测定缺陷的方法之一,但是受到浅部盲区、多缺陷和桩长过长等限制,无法测试出桩身浅部缺陷、多个缺陷及深部或桩底缺陷。
关于参加全国动测单位资质考核的情况表明,其结果是不容乐观的。
低应变测定桩身缺陷准确率最高的是,一根有缩颈缺陷的预制桩,其准确率达到其次是一根全面离析、断桩、夹层物占截面以上的钢筋桩基灌注桩,准确率为一而对缩颈、扩颈、扩底判断准确率较低。
总的来说,低应变法桩身检测对缺陷程度较小的桩,准确率很低仅为零,与它形成鲜明对比的是超声波检测的准确率几乎高达100%,运用声波透射法检测桩身完整性以及桩基质量在现代大型的高层建筑、公路、桥梁工程中越来越普及。
检测方法综述
桩基质量检测中的两项重要内容,按其完成设计与施工验收规范所规定的检
测项目的分类,宏观上分为三种检测方法。
a.直接法
顾名思义,即通过现场原型试验直接获得检测项目结果或为施工验收依据的检测方法。
在桩身完整性检测方面主要是钻孔取芯法,即直接从桩身桩基中钻取芯样,以测定桩身的质量和强度,检查桩底沉渣和持力层情况,并测定桩长。
承载力检测包括了单桩竖向抗压拔静载试验和单桩水平静载试验,前者用来确定单桩竖向抗压拔极限承载力,后者除用来确定单桩水平临界和极限承载力。
b.半直接法半
直接法是指在现场原型试验基础上,同时基于一些理论假设和工程实践经验并加以综合分析才能最终获得检测项目结果的检测方法。
主要包括以下三种①
低应变法,利用被动和振动理论对桩身的完整性做出评价的一种检测方法,主要包括反射波法、机械阻抗法、水电效应法等等②高应变法,通过测量和计算判定单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求及对桩身完整性做出评价的一种检测方法,主要包括锤击贯入试桩法、波动方程法和静动法等等③声波透射法,通过对声波传播时间、波幅及主频等声学参数的测试与分析,对桩身完整性做出评价的一种方法。
c.间接法
间接法是依赖直接法己取得的试验成果,结合上的物理力学试验或原位测试数据,通过统计分析,以一定的计算模式给出经验公式或半理论、半经验公式的估
算方法。
由于地质条件和环境条件的复杂件,施工工艺、施工水平及人员素质的
差异性,该方法对设计参数的判断有很大的不确定性,所以只适用于工程初步设
计的估算。
桩基检测方法的选择和检测数量的确定应根据各种检测方法的特点和适用范围,综合考虑地质条件、桩基的设计等级、桩型、施工质量可靠性等因素,使各种检测方法优势互补.
1.声波透射法的基本理论及检测技术
1.1超声波透射法的基本原理
超声波透射法桩基检测技术是弹性波测试方法中的一种,它是在预埋声测管之间发射并接收超声脉冲,通过实测声波在桩基介质中传播的声速、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化,对桩身完整性进行评价的一种桩基测试方法,声波透射法检测砼的基本原理是:
由超声脉冲发射源在砼内激发高频弹性脉冲波,并用高精度的接收系统记录该脉冲波在砼内的传播过程中表现的波动特性。
当砼内存在不连续或破损界面时,缺陷面形成波阻抗界面,波到达该界面时,将产生波的透射和反射;
当砼内存在松散、蜂窝、孔洞等严重胶结缺陷时,将产生波的散射、绕射和波速降低,因而使接收到的透射波能量降低、初至波到达时间延长、频率发生变化及波形产生畸变。
通过分析透射波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征,可以获得测区范围内砼结构参数。
测试记录不同剖面、不同高度上的超声透射波波动特征,经过处理综合分析就能判别桩身的砼结构,如可能存在的缺陷性质、大小及空间位置。
声波透射法桩基检测具有以下优点:
①检测细致,结果准确可靠②不受桩长桩径限制③无盲区,声测管埋到什么部位就可检测到什么部位,包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度④不需桩顶露出地面即可检测,方便施工⑤可估算桩基的强度。
正因为如此,虽然该方法需预埋声测管,费用较高,但仍然得到广泛采用,特别是桥梁、高层建筑的大型、特大型灌注桩的检测超声波透射法检测示意图见图2-1:
图2-1超声波透射法检测示意图
1.2超声波透射法声学参量判断桩基质量的机理
(1)声速或声时与桩基质量的关系
超声波在桩基中的传播波速反映了桩基的弹性性质,当桩基内部致密,孔隙率低时,波速越高,声时越小;
相反,当桩基内部缺陷由松散材料构成时,波速越低,声时越大。
(2)接收波首波波幅与桩基质量的关系
根据桩基中超声波衰减的原因可知,当桩基中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时,吸收衰减和散射衰减增大,使接收波波幅明显下降。
(3)接收波主频与桩基质量的关系
超声脉冲是复频波,具有多种频谱成分,当它穿过桩基后,各频率成分衰减程度不同,高频部分比低频部分衰减快,所以当遇到缺陷时,接收波主频会明显降低。
(4)接收波波形的变化与桩基质量的关系
超声波脉冲传播遇到缺陷界面时,由于反射和折射波束传播路径不同,使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波,导致波形畸变。
1.3超声波法检测桩技术
1.3.1超声波透射法检测方式
按照声波换能器通道在桩体中的布置方式,声波透射法检测桩基灌注桩分为三种方式桩内跨孔透射法、桩内单孔透射法、桩外孔透射法。
1.3.1.1桩内跨孔透射法在
桩内预埋两根或两根以上的声测管,把发射、接收换能器分别置于两管道中。
检测时声波由发射换能器出发穿透两管间桩基后被接收换能器接收,实际有效检测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所扫过的面积。
根据两换能器高程的变化又可分为平测、斜测、扇形扫测等方式。
当采用钻芯法检测大直径灌注桩桩身完整性时,可能有两个以上的钻芯孔。
如果我们需要进一步了解两钻孔之间的桩身桩基质量,也可以将钻芯孔作为发、收换能器通道进行跨孔透射法检测。
1.3.1.2桩内单孔透射法
在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用,例如钻孔取芯后,我们需进一步了解芯样周围桩基质量,作为钻芯检测的补充手段,这时可采用单孔检测法。
此时,换能器放置于一个孔中。
换能器间用隔声材料隔离或采用专用的一发双收换能器。
声波从发射换能器出发经祸合水进入孔壁桩基表层,并沿混凝
土表层滑行一段距离后,再经祸合水分别到达两个接收换能器上,从而测出声波
沿孔壁桩基传播时的各项声学参数。
单孔透射法检测时由于声传播路径较跨孔法复杂得多,须采用信号分析技术,道中有钢质套管时,由于钢管影响声波在孔壁桩基中的绕行,故不能采用此方法技术。
1.3.1.3桩外孔透射法
当桩的上部结构己施工或桩内没有换能器通道时,可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔作为检测通道,由于声波在土中衰减很快,因此桩外孔应尽量靠近桩身。
检测时在桩顶面放置一发射功率较大的平面换能器,接收换能器从被外孔中自上而下慢慢放下,声波沿校身桩基向下传播,并穿过校与孔之间的土层,通过孔中锅合水进入接收换能器,逐点测出透射声波的声学参数。
当遇到断位或夹层时,该处以下各点声时明显增大,波幅急剧下降,以此为判断依据。
这种方法受仪器发射功率的限制,可测校长十分有限,且只能判断夹层、断桩、缩颈等缺陷,另外灌注桩松身剖面几何形状往往不规则,给测试和分析带来困难。
在上述三种方法中,桩内跨孔透射法是一种较成熟可靠的方法,是声波透射法桩基质量检测的主要形式,两外两种在检测过程中的实施、数据的分析和判断均存在不少困难,所以,《规范》中关于声波透射法的使用范围规定了使用于已经预先埋声测管的桩基灌注桩桩身,即使用于桩内声波跨孔透射法检测桩身的完整性。
1.3.2超声波声波透射法检测要求
本方法适用于已预埋声测管的桩基灌注桩桩身完整性检测即桩内跨孔透射法,判定桩身缺陷的程度并确定其位置。
声测管埋设数量应符合下列要求:
1D≤800mm,2根管。
2800mm<D≤2000mm,不少于3根管。
3D>2000mm,不少于4根管。
式中D——受检桩设计桩径。
声测管应沿桩截面外侧呈对称形状布置,按下图所示的箭头方向顺时针旋转依次编号。
声波管可用钢管或PVC管,下端封口,并下到桩底,上端露出面桩面20~30cm。
1.3.3声学参数与桩基的关系
超声波在桩基中传播,其声学参数变化为灌注桩桩基质量、判定其
完整性等级的理论基础。
1.3.3.1波速与桩基质量的关系
声波在桩基中的传播波速反映了桩基的弹性性质,而桩基的弹性性质与桩基的强度具有相关性,因此桩基声速与强度之间存在相关性。
另一方面,对组成材料相同的构件桩基,其内部越致密,孔隙率越低,则声波波速越高,强度也越高。
因此构件桩基强度与声速之间也有相关性。
但是,桩基材料是一种多相复合体,其强度与声速的关系不是完全稳定的,受到多种因素的影响。
当声波在传播路径上遇到缺陷时,若该缺陷是空洞,则其中必填充空气或水。
由于桩基与空气的特性阻抗相差悬殊,界面的声能反射系数近于,因此,声波难以通过桩基空气界面。
但由于低频因声波漫射的特点,声波又将沿缺陷边缘而传播。
这样,因为绕射传播的路径比直线传播的路径长,所测得的声时也就比正常桩基要长。
在计算测点声速时,我们总是以换能器间的直线距离作为传播距离,结果有缺陷处的计算声速视声速就减小。
1.3.3.2波幅与桩基质量的关系
接收声波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的指标之一。
一般认为,接收波波幅强弱与混凝土的弹塑性有关。
接收波幅值越低,混凝土对声波的衰减就越大。
根据混凝土中声波衰减的原因可知,当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时,吸收衰减和散射衰减增大,使接收波波幅明显下降。
幅值可直接在接收波上观察测量,也可用仪器中的衰减器测量,测量时通常以首波即接收信号的前面半个周期的波幅为准。
后续的声波往往受其他叠加波的干扰,影响测量结果。
幅值的测量受换能器与试体祸合条件的影响较大,在灌注桩检测中,换能器在声测管中通过水进行锅台,一般比较稳定,但要注意使换能器在管中处于居中位置,为此应在换能器上安装定位器。
接收声波幅值与混凝土质量紧密相关,它对缺陷区的反应比声时值更为敏感,所以它也是缺陷判断的重要参数之一。
1.3.3.3波频与桩基质量的关系
声波脉冲是复频波,具有多种频率成分。
当它们穿过桩基后,各频率成分的衰减程度不同,高频部分比低频部分衰减严重,因而导致接收信号的主频率向低频端漂移。
其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。
所以,接收波主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量,当遇到缺陷时,由于衰减严重,使接收波主频率明显降低。
接收波频率的测量一般以首波第一个周期为准,可直接在接收波的示波图形上作简易测量。
近年来,为了更准确地测量频率的变化规律,已采用频谱分析的方法它获得的频谱所包含的信息比采用简易方法时接收波首波频率所带的信息更为丰富,更为准确。
1.3.3.4波形与桩基质量的关系
接收波波形由于声波脉冲在缺陷界面的反射和拆射,形成波线不同的波束,这些波束由于传播路径不同,或由于界面上产生波形转换而形成检波等原因,使得到达接收换能器的时间不同,因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波,导致波形畸变。
事实证明,凡超声脉冲在传播过程中遇到缺陷,其接收波形往往产生畸变,所以波形畸变程度可作为判断缺陷程度的参考依据。
声波透过正常混凝上和有缺陷的混凝土后,接收波波形特征如下声波透过正常混凝土后的波形特征首波陡峭,振幅大第一周波的后半周即达到较高振幅,接收波的包络线吴半圆形第一个周期的波形无畸变。
声波透过有缺陷混凝土后,接收波波形特征首波平缓,振幅小第一周期波的后半周甚至第二个周期,幅度增加得仍不够,接收波的包络线呈喇叭形第一、二个周期的波形有畸变当缺陷严重且范围大时,无法接收声波。
显下降。
1.3.4桩基质量的判定与声学参数的比较
(1)声速的测试值较为稳定,结果的重复性较好,受非缺陷因素的影响小,在同一桩的不同剖面以及同一工程的不同桩之间可以比较,是判定混凝土质量的主要参数,但声速对缺陷的敏感性不及波幅。
(2)接收波波幅首波幅值对混凝土缺陷很敏感。
它是判定混凝土质量的另一个重要参数。
但波幅的测试值受仪器系统性能、换能器藕合状况、测距等诸多非缺陷因素的影响,它的测试值没有声速稳定,目前只能用于相对比较,在同一桩的不同剖面或不同桩之间往往无可比性。
(3)接收波主频的变化虽然能反映声波在混凝土中的衰减状况,从而间接反映混凝土质量的好坏,但声波主频的变化也受测距、仪器设备状态等非缺陷因素的影响,因此在不同剖面以及不同桩之间的可比性不强,只用于同一剖面内各测点的相对比较,其测试值也没有声速稳定。
因此,目前主频漂移指标仅作为声速、波幅的辅助判据。
(4)接收波波形接收波也是反映混凝土质量的一个重要方面。
它对混凝土内部的缺陷也较敏感,在现场检测时,除逐点读取首波的声时、波幅外,还应注意观察整个接收波形态的变化,作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要的参考,因为接收波形是透过两声测管间混凝土的声波能量的一个总体反映,它反映了发、收换能器之间声波在混凝上各种声传播路径上的总体能量,其影响区域大于直达波首波.
1.4超声波透射法桩基检测仪器和程序
1.4.1声波透射法仪器要求
声波发射与接收换能器应符合下列要求:
(1)圆柱状径向振动,沿径向无指向性;
(2)外径小于声测管内径,有效工作段长度不大于150mm;
(3)谐振频率为30~50kHz;
(4)水密性满足1MPa水压不渗水。
声波检测仪应符合下列要求:
(1)具有实时显示和记录接收信号的时程曲线以及频率测量或频谱分析功能。
(2)声时测量精度优于或等于0.5μs,声波幅值测量相对误差小于5%,系统频带宽度为1~200kHz,系统最大动态范围不小于100dB。
(3)声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲,电压幅值为200~1000V。
1.4.2声波透射仪器介绍
国内外桩基检测仪器种类繁多,在国内应用广泛的是武汉岩海公司研发的一款国内首创一体化小型化数字超声仪RS-ST01C(见图)
RS-ST01C数字超声仪
其仪器的主要性能:
●内置工业仪表专用电脑及高清晰度大屏幕彩色液晶显示器
●全中文菜单,单光电旋钮智能控制,操作简单,全面支持一发双收
●超大功率发射模块
●超低噪音设计,波形实时显示,首波自动增强
●触发方式多样:
连发、单发、稳态、外同步、内同步
●配备有大容量可扩充电子硬盘及高能镍氢电池,满足野外长时间工作
●软件实现准确、快速自动判读声时、声幅诸参数、记录测试结果,分析处理功能丰富规范。
●配接打印机现场即可给出规范的测试结果及图表。
●造型优美,体积小、重量轻。
1.4.3声波透射仪的工作原理
图(1.4.3-1)RS-ST01C非金属超声检测分析仪系统结构方框图
图(1.4.3-1)是RS-ST01C非金属超声检测分析仪系统结构方框图RS-ST01C由高压发射与控制、程控放大与衰减、A/D转换与采集、工业级计算机四部分组成。
高压发射电路受主机同步信号控制产生受控高压脉冲,激励发射换能器,将电信号转换为超声波传入被测介质,接收换能器在接收由被测介质传播的声波信号后转换为电信号,经程控放大与衰减对信号作自动调整,将接收换能器的电信号调节到最佳电平,输送给高速A/D采集板,经A/D转换后的数字信号快速送入主机。
在功能完善的软件支持下,充分发挥计算机的运算、分析与控制功能,使之成为集发射激励、信号接收、数据采集、自动检测、结果分析、显示打印、数据输入输出于一体的高智能化仪器。
此外,还可以生成标准的数据文件,送入PC机中,由Windows平台下的分析处理软件进行后期处理。
在Windows操作系统中运用武汉岩还公司的分析软件。
操作窗口
1.4.4检测基本程序
声波透射法检测桩基的基本程序如下首
(1)先将预埋在灌注桩中的声测管灌满水将声测探头放入声测管中,同时连接好超声仪现场测试内业处理数据。
将声测探头放入声测管中,连接好超声仪换能器。
(2)设置好工作参数,埋的声测管中按要求升降。
一般有两种方式一种是用人工升降,为了使操作者知道探头在桩内的确切位置,应在探头电缆线上划上标尺另一种是采用电动机械式升降装置,可采用异步电机或步进。
1.4.5现场检测
1.4.5.1现场检测前准备工作规定:
(1)采用标定法确定仪器系统延迟时间。
(2)计算几何因素声时修正值。
(3)在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。
(4)将各声测管内注满清水,检查声测管畅通情况;
换能器应能在全程范围内正常升降。
1.4.5.2现场检测步骤规定
(1)将发射与接收声波换能器通过深度标志分别置于两根声测管中的测点处。
(2)发射与接收声波换能器应以相同标高(图1.4.5.2a)或保持固定高差(图1.4.5.2b)同步升降,测点间距不应大于250mm。
(3)实时显示和记录接收信号的时程曲线,读取声时、首波峰值和周期值,宜同时显示频谱曲线及主频值。
(4)将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合,分别对所有检测剖面完成检测。
(5)在桩身质量可疑的测点周围,应采用加密测点、斜测、扇形扫测(图1.4.5.2c)进行复测,进一步确定桩身缺陷的位置和范围。
(6)在同一检测剖面的检测过程中,声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。
图1.4.5.2平测、斜测和扇形扫测示意图
2.桩基质量的综合判定
2.1数据整理和桩基质量判定
根据《规范》要求,在每一个测点上都有声时tc、声速v、波幅Ap及主频f应根据现场检测数据。
按下列各式计算,并绘制声速-深度(v-z)曲线和波幅-深度(Ap-z)曲线,需要时可绘制辅助的主频-深度(f-z)曲线:
(3.1-1)
(3.1-2)
(3.1-3)
(3.1-4)
tci——第i测点声时(μs);
ti——第i测点声时测量值(μs);
t0——仪器系统延迟时间(μs);
t′——几何因素声时修正值(μs);
l′——每检测剖面相应两声测管的外壁间净距离(mm);
vi——第i测点声速(km/s);
Api——第i测点波幅值(dB);
ai——第i测点信号首波峰值(V);
a0——零分贝信号幅值(V);
fi——第i测点信号主频值(kHz),也可由信号频谱的主频求得;
Ti——第i测点首波周期(μs)。
2.1.1声速临界值计算
(1)将同一检测剖面各测点的声速值vi由大到小依次排序,即
v1≥v2≥…vn-k≥…vn-1≥vn(3.1.1-1)
式中v——声速测量值;
n——检测剖面测点数;
k——去掉的小数值数据个数。
(2)对去掉vi中最小数值后的其余数据进行统计计算:
v0=vm-λ.sx(3.1.1-2)
(3.1.1-3)
(3.1.1-4)
式中v0——异常判断值;
vm——(n-k)个数据的平均值;
sx——(n-k)个数据的标准差;
λ——由表3.1.1查得的与(n-k)相对应的系数。
表2.1.1统计数据个数(n-k)与对应的λ值
n-k
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
λ
1.64
1.69
1.73
1.77
1.80
1.83
1.86
1.89
1.91
1.94
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
1.96
1.98
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- 超声波 透射 法测桩 方法 应用 综述