桩基工程教学资料4.pps
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第4章桩基检测灌注桩成桩质量通常存在两方面问题:
一是属于桩身完整性,常见的缺陷有夹泥、断裂、缩径、扩径、混凝土离析及桩顶混凝密实性较差等;二是影响桩底支承条件的质量问题,主要是灌注混凝土前清孔不彻底,孔底沉淀厚度超过规定极限,影响承载力。
4.1桩身完整性检测4.1.1反射波法检测基桩完整性1)反射波法基本原理及使用范围在桩顶竖向激振,弹性波沿着桩身向下传播,当桩身存在明显波阻抗差异的界面或桩身截面积发生变化,将产生反射波,经接收、放大、滤波和数据处理,可识别来自不同部位的反射信息。
通过对反射信息进行分析计算,判断桩身混凝土的完整性,判定桩身缺陷的程度及其位置。
桩的典型弹性体模型是直杆的纵向振动,在推导直杆的纵向振动方程时,基本假定材料均匀等截面直杆,直杆变形中横截面保持为平面且彼此平行,直杆横截面上应力分布均匀并忽略直杆的横向惯性效应。
反射波法可适用于检测桩身混凝土的完整性,推定缺陷类型及其在桩身中的位置,也可对桩长进行核对,对桩身混凝土的强度等级作出估计。
2)测试系统反射波法的测试系统由激振设备,传感器,放大器和信号采集分析仪四部分组成。
(1)激振设备常用方法是采用手锤,力棒或自由落体球激振,其机理建立在碰撞理论基础上。
试验表明只有通过敲击产生合适的振源,才有可能得到正确的波形曲线。
常规振源为一瞬态脉冲信号,力幅度,脉冲宽度和主瓣宽度是衡量它的三项主要指标。
(2)传感器振动测试中常用的传感器有加速度传感器,速度传感器,位移传感器和力传感器。
(3)放大器电压放大器和电荷放大器:
两种放大器有以下特点:
具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗;能将加速度传感器的微小电信号加以放大并变成容易测量的电压信号;在与不同灵敏度的加速度传感器相配合时,均能输出电压达到归一。
放大系统的增益应大于60dB,长期变化量应小于1。
折合输入端的噪声水平应低于3V。
频带宽度应不窄于101000Hz,滤波频率可调整。
(4)信号采集分析仪在信号采集分析仪中采样是通过A/D转换器试验的。
要求信号采集分析仪体积小,质量轻,性能稳定便于野外使用,同时应具备数据采集,记录存储,数字计算和信号分析功能。
多道采集系统应具有一致性,其振幅偏差应小于3,相位偏差应小于0.1ms。
反射波法检测系统基本组成3)测试方法
(1)
(1)桩头处理:
桩头处理:
桩头应凿去浮浆,露出密实的混凝土平整桩头,切除桩头外露过长的主钢筋;激振点及传感器安装位置应凿成大小合适的平面,平面应平整并基本与桩身轴线垂直;激振点及传感器安装位置应远离钢筋笼的主筋,目的是减少外露主筋对测试信号产生干扰。
灌注桩考虑到以后的承台问题,桩头均有钢筋露出,这对实测波形有一定影响,严重时可影响反射信息的识别。
克服这一影响因素的方法可以将检波器用细砂或粒土屏蔽起来,使检波器收不到声波信息。
预制桩在贯入过程中,桩头可能产生破损,灌注桩头表面松散,这将使弹性波能量很快衰减,从而削弱桩间及桩底反射信息,影响了波形的识别。
有效途径是将破损处或松散处铲去
(2)传感器安装及激振每个检测工地均应进行激振方式和接收条件的选择试验,确定最佳激振方式和接收条件。
激振点宜选择在桩头中心部位,传感器应稳固地安置在桩头上。
对于桩径大于350mm的桩可安置两个或多个传感器。
实心桩的激振点选择在桩头中心部位,传感器应粘贴在距桩中心约2/3R处。
桩径较大时,若桩身存在局部缺陷,则在不同测点获得的速度波形有差异。
因此,应视桩径大小,选择24个测点,测点按圆周均匀分布,如图所示。
RRR23传感器安装点、锤击点布置示意图(3)现场测试要点当随机干扰较大时,可采用信号增强方式,进行多次重复激振与接收。
为提高检测的分辨率,应使用小能量激振,并选用高截止频率的传感器和放大器。
判别桩身浅部缺陷,可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收,进行辅助判定。
每一根被检测的单桩均应进行二次及以上重复测试。
出现异常波形应在现场及时研究,排除影响测试的不良因素后再重复测试,重复测试的波形与原波形应具有相似性。
反射波法测桩时,不能一成不变地使用一种桩头。
桩越长,应选择越软越重直径越大的锤;桩越短应选择越硬越轻直径越小的锤。
开始检测的头几根桩应多花一些时间进行试敲,对施工质量情况有了大概了解后,再大量敲击试验。
敲击时应尽量使力垂直作用于桩头,有利于抑制质点的横向振动。
还要避免传感器安装不紧,安装位置距捶击点太近等人为因素,才能将真正由桩身缺陷导致的反冲辨别出来。
现场测试时必须对各种可疑的桩身缺陷及时分析,一般要求获得3条重复性较好的测试曲线.4)测试结果的计算分析
(1)信号后处理数字滤波采用数字滤波滤去与桩身质量无关的干扰频率,增大有效波成分,以便波形能真实反映桩身完整性情况。
时变增益放大应力波沿桩身传播时会随传播距离的增加信号衰减严重,给动态诊断带来很大困难。
为此,反射波法测试系统中常采用时变增益放大环节,以桩顶同一测点处的入射波与桩底反射波信号之间的时差为区间,在此区间内,放大增益按时间的指数函数增加。
反射波法桩底信号指数放大的倍数取决于桩长及桩周介质,桩越长,放大倍数应取得越大。
桩周介质越坚硬,对敲击产生的波场的扩散作用越明显,放大倍数也应设定得越大。
(2)时域分析及频域分析时域分析及频域分析是试验振动分析中的重要环节。
时域分析中反射波法检测桩身质量时,桩身混凝土的波速是重要的判断依据。
判断桩身缺陷存在与否,需分辨实测曲线中有无缺陷的反射信号,及分辨桩底反射信号,这对缺陷的定性及定量解释是有帮助的。
桩底反射明显,一般表明桩身完整性好,或缺陷轻微规模小。
此外,还应分析地层等资料,排除由于桩周土层波阻抗变化过大等因素造成的“假反射”现象。
根据完整桩的首次桩底反射时间T计算该桩的平均波速Vpm:
Vpm=2L/T由该工程完整桩的平均波速V,计算缺陷位置:
Li(1/2)VpmTi反射波波形规则,波列清晰,桩底反射波明显,易于读取反射波到达时间,及桩身混凝土平均波速较高的桩为完整性好的单桩。
反射波到达时间小于桩底反射波到达时间;且波幅较大,往往出现多次反射,难以观测到桩底反射波的桩,系桩身断裂。
桩身混凝土严重离析时,其波速较低,反射波幅减少,频率降低。
缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算,类型可按相位特征进行判别。
当有多处缺陷时,将记录到多个相互干涉的反射波组,形成复杂波列。
此时应仔细辨别,并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析。
有条件时尚可使用多种检测方法进行综合判断。
桩体浅部断裂的定性评价,可通过横向激振,比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。
在上述时域分析的基础上,尚可采用频谱分析技术,利用振幅谱进行辅助判断。
桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。
波速与混凝土抗压强度的换算系数,应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定另外,可按换算桩身平均纵波速Vpm评价桩身是否有缺陷及其严重程度。
波速与混凝土强度呈正相关关系的特点,即混凝土强度等级越高,波速越大。
频域分析对测试信号作时、频域综合分析,是动态测试的普遍做法。
在桩基测试中,要对桩身完整性做出正确的判断,频域分析可以通过研究桩身振动频谱的组成情况,判断出仪器频响、测试技术及数据处理方法等对测试信号和测试结果产生的影响。
使用频域分析可以弥补时域分析的不足。
现场测试时,频域分析可以产生合适的振源。
频域分析可以找出和排除各种干扰频率。
利用频域分析可以计算出桩长及相应的缺陷位置。
图3京沪高铁基桩反射波法现场检测照片典型的实测波形图5)桩身质量评定等级分类及有关说明类桩:
无任何不利缺陷,桩身结构完整。
类桩:
有轻度不利缺陷,但不影响或基本不影响原设计的桩身结构承载力。
类桩:
有明显不利缺陷,影响原设计的桩身结构承载力。
类桩:
有严重不利缺陷,严重影响原设计的桩身结构承载力。
注意:
注意:
类桩应进行工程处理。
类桩应进行工程处理。
由于低应变动测法在检测和判定基桩完整性的工程实践中受到多种条件影响,使一些缺陷桩难以准确判定,尤其是类以上缺陷桩的判定难度更大,如果对这类桩的缺陷程度判定不准或处理不当,将对工程工期和工程质量造成一定的影响。
因此应根据缺陷程度和位置采用其它相应的方法进行验证,如采取现场开挖、钻芯取样法、静载试验法和高应变检测法等,以获得准确的检测结果。
桩身完整性检测结果评价,应给出每根受检桩的桩身完整性类别,检测报告应包含以下内容:
(1)委托方名称,工程名称、地点,建设、勘察、设计、监理和施工单位,基础、结构型式,层数,设计要求,检测目的,检测依据,检测数量,检测日期;
(2)地质条件描述;(3)受检桩的桩号、桩位和相关施工记录;(4)检测方法,检测仪器设备,检测过程叙述;(5)受检桩的检测数据,实测与计算分析曲线、表格和汇总结果;(6)与检测内容相应的检测结论。
4.1.2声波透射法检测基桩完整性声波透射法检测基桩完整性1)声波透射法基本原理声波透射法示意图1声测管(或钻孔);2发射换能器;3接收换能器;4声波检测仪声波透射法是在桩基混凝土浇注前预埋纵向声测管道(常采用钢管),成桩后待桩身混凝土具有一定龄期时将一对换能器分别放入声测管中,管中充满清水作耦合剂,根据换能器所放的不同位置对桩基全高度进行详细检测。
钻孔灌注桩是一种多相非均质材料,由水泥石、水和空气空隙等组成,以及可能存在空洞、裂缝、夹泥夹砂、疏松,甚至断桩等缺陷,使混凝土声阻抗降低。
声波是弹性波的一种,若视混凝土介质为弹性体,则声波在混凝土中的传播服从弹性波传播规律。
检测时由仪器中的脉冲信号发生器发出一系列周期性电脉冲并加在发射换能器的极板上。
电脉冲通过发射换能器转换成一系列超声脉冲经水的耦合传到发射端测管,再在桩身混凝土介质中传播后,到接收端的测管然后又经水的偶合被接收换能器所接收,并被转换成电信号。
由于液体或气体没有剪切弹性,只能传播纵波,因此超声波测桩技术采用的是纵波分量。
发射换能器发射的声波会在发射点和接收点之间形成复杂的声场,声波将分别沿不同的路径传播,最终到达接收点,其历时都不尽相同,但在所有的传播路径中,总有一条路径,声波历时最短,接收换能器接收到该声波时,形成信号波形的初始起跳,一般称为“初至”,当桩身完好时,可认为这条路径就是发射换能器和接收换能器之间的直线距离,是已知量;而初至对应的声时扣去声波在测管、水之间的传播时间以及仪器系统延迟时间,可得声波在两测管间混凝土介质中传播的实际声时,并由此可计算出所对应的声速。
当桩身存在断裂、离析等缺陷时,破坏了混凝土介质的连续性,使声波的传播路径复杂化,声波将透过或绕过缺陷传播,其传播路径大于直线距离,引起声时的延长,而由此算出的波速将降低。
另外,由于空气和水的声阻抗远小于混凝土的声阻抗,声波在混凝土中传播过程中,遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷时,在缺陷界面发生反射和散射,声能衰减,因此接收信号的波幅明显降低,频率明显减小。
再者,透过或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差,叠加后互相干扰,致使接收信号的波形发生畸变。
综上所述,当桩身某一段存在缺陷时,接收到的声波信号会出现波速降低、振幅减少、波形畸变、接收信号主频发生变化等特征(也可能只出现其中的一种情况)。
声波透射法桩基检测就是根据混凝土声学参数测量值和相对变化,由仪器的数据处理与判断分析软件对接收信号的各种声参量进行综合分析,即可对桩身混凝土的完整性、内部缺陷性质、位置以及桩混凝土总体均匀性等做出判断,完成检测工作。
检测过程中先把发射换能器和接收换能器下到管底,并调至同一水平面,发射换能器由管中发射超声波,另一接收换能器在另一管中接收超声波。
两只换能器同时由管底向上提升,并记录深度,测试数据。
当换能器提升至管口,则一条声测剖面就测试完毕。
2)现场检测
(1)声测管的埋设及要求声测管是声波透射法测桩时,径向换能器的通道,其埋设质量(平行度)直接影响检测结果的可靠性和检测试验的成败。
其埋设数量主要由桩径大小控制,下图给出了不同桩径情况下声测管的布置方式。
目前常用的声测管有钢管、钢质波纹管、塑料管3种。
钢管便于安装,可焊
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