樁基無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展
2015-04-02
1 引言
樁基無(wú)損檢測(cè)技術(shù)屬于工程物探發(fā)展出來(lái)的一個(gè)新領(lǐng)域，不僅成為隱蔽工程質(zhì)量檢測(cè)的一種重要手段，工程監(jiān)理質(zhì)量評(píng)估的重要依據(jù)，而且將還成為公路和鐵路建設(shè)基樁工程中一種必不可少的質(zhì)量檢驗(yàn)手段。但是目前中國(guó)還存在大量碼頭、橋梁、公路和鐵路橋樁基尚未徹底檢測(cè)的，而且進(jìn)行尚未普及檢測(cè)和評(píng)估服役期的基樁的樁身質(zhì)量，也沒(méi)有形成較成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。
樁基檢測(cè)技術(shù)
2.1低應(yīng)變發(fā)射波法
?。?）反射波法技術(shù)原理
基于Hessein的一緯動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展而來(lái)的動(dòng)測(cè)法目前應(yīng)用最為廣泛，該技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展越來(lái)越成熟。其測(cè)試原理也在于此，某一急震力作于樁頂時(shí)，會(huì)使樁身產(chǎn)生縱向振動(dòng)，而當(dāng)應(yīng)力波通以樁身為介質(zhì)進(jìn)行傳播的過(guò)程中受到變異波阻抗時(shí)，自然會(huì)產(chǎn)生反射和投射效應(yīng)，這種反射信號(hào)會(huì)由安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮占跋汝P(guān)的儀器收集記錄，再通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理分析獲得波形和頻譜曲線(xiàn)[3]，最后根據(jù)波動(dòng)理論進(jìn)行分析樁身結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對(duì)樁基工程質(zhì)量做出客觀的評(píng)估。然而因?yàn)槭皱N敲擊的震擊力相對(duì)小，一維波動(dòng)理論本身也存在局限性，因此反射波法在實(shí)際應(yīng)用中存在某些缺陷，比如有效檢測(cè)深度不足、信號(hào)分析帶有較強(qiáng)主觀性、容易受次生反射信號(hào)干擾等。
（2）反射波法技術(shù)發(fā)展
工程師研發(fā)出新的改善方法，提高了測(cè)試精度，也增強(qiáng)了反射波發(fā)的實(shí)用性。目前應(yīng)用前景相對(duì)可觀的方法有Johnson等人1996年提出的“雙速度法”。其測(cè)試原理：沿樁身縱向布置兩個(gè)加速度傳感器，并同時(shí)測(cè)量這兩點(diǎn)加速度的時(shí)域曲線(xiàn)[4]，根據(jù)Lundberg等人提出的實(shí)測(cè)樁身兩點(diǎn)的應(yīng)變分析出樁身內(nèi)的上、下行波的理論，通過(guò)速度與應(yīng)變的關(guān)系得到下行波的計(jì)算公式[5]，再通過(guò)兩點(diǎn)間距與時(shí)差計(jì)算出樁身內(nèi)的波速，從而分離出有效的上行波。實(shí)際操作中，2點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推測(cè)出波速之前，必須經(jīng)過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)制。由美國(guó)PDI公司開(kāi)研究開(kāi)發(fā)出的儀器及其軟件可支持雙通道測(cè)量，且自動(dòng)得出上行波。此法尤其適用于對(duì)樁頂端連接有上部結(jié)構(gòu)的基樁進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。而實(shí)際案例中，布置多傳感器的情況大多數(shù)僅用于計(jì)算波速，并沒(méi)有很好地利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
“雙速度”法也存在一定應(yīng)用條件：①基樁露出段不低于1.5m，以供傳感器安裝；①信號(hào)分析相對(duì)復(fù)雜。為了克服實(shí)際工況條件的各種不利因素，需要使用者不斷總結(jié)并積累經(jīng)驗(yàn)，努力做到能根據(jù)具體情況進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整測(cè)試方法，因此應(yīng)變性要求較高。
1）橫波法。橫波法是在樁地段和下端附近或位于樁身同側(cè)分別安裝1個(gè)速度儀，在樁側(cè)橫向擊震產(chǎn)生1個(gè)同時(shí)向上和向下傳播的彎曲波，其信號(hào)分別有2個(gè)方向上終端安裝的速度儀接受并記錄下來(lái)，即時(shí)顯示時(shí)域分析結(jié)果。其優(yōu)勢(shì)在于因?yàn)榧羟胁▊鞑ニ俣冗h(yuǎn)比縱波慢，從而不僅可獲得較高的分比率而且其盲區(qū)直徑較小，有效解決了大直徑的小應(yīng)變測(cè)試問(wèn)題。田冬俊利用Visual C++開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)過(guò)縱波和彎曲剪切波的綜合擬合程序。目前正在實(shí)驗(yàn)階段的研發(fā)工作還在進(jìn)行，以期開(kāi)發(fā)出操作簡(jiǎn)便的擊振設(shè)備，提剪切波信號(hào)。
2）超震波法。沿樁測(cè)共線(xiàn)等距布置多個(gè)接收器，當(dāng)震擊樁頂端或樁身時(shí)，便可測(cè)得質(zhì)點(diǎn)速度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖。可以通過(guò)改變深度，復(fù)測(cè)獲得直達(dá)波和反射波的到達(dá)時(shí)間。平滑連結(jié)直達(dá)波到達(dá)的所有波峰點(diǎn)及反射波的所有波峰點(diǎn)，兩條連線(xiàn)的交點(diǎn)為樁底或者缺陷點(diǎn)。超震波法由于需要安裝多組傳感器，因此需要較大的樁身暴露長(zhǎng)度，在實(shí)際工程中很難保證滿(mǎn)足；對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間海水侵蝕及大量的水生生物附著的碼頭樁基的檢測(cè)，可能由于樁基表面不能達(dá)到平整度要求而很大程度地限制了超震波法的實(shí)用性和可信度。
3）縱阻抗剖分析法。由法國(guó)房屋和公共工程研究中心（CEBTP）和Paquet在1991年提出的，他們首先通過(guò)實(shí)測(cè)導(dǎo)納曲線(xiàn)獲得與基樁半徑相同的無(wú)限長(zhǎng)的虛擬基樁的理論導(dǎo)納曲線(xiàn)，再經(jīng)過(guò)相減得出由于缺陷或樁底反射形成的導(dǎo)納曲，進(jìn)一步通過(guò)反傅里葉變換及相關(guān)尺度調(diào)節(jié)，然后根據(jù)反射洗系數(shù)計(jì)算出各深度處的阻抗，借此判斷缺陷位置。該方法的優(yōu)勢(shì)：無(wú)需豐富的經(jīng)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)便；讀圖直觀。目前主要的缺陷是在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算“無(wú)限長(zhǎng)”樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)尚未實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)一步研究。
2.2高應(yīng)變法
?。?）高應(yīng)變法的原理
高應(yīng)變法最顯著的特征是在檢測(cè)過(guò)程找那個(gè)需要配置機(jī)械設(shè)備對(duì)樁體施加能量較大的脈沖式震擊荷載，有關(guān)規(guī)范規(guī)定震擊荷載能量高達(dá)數(shù)萬(wàn)kN。期中具有代表性的包括了CASE法，來(lái)自PDI公司的Rauche等人于1978年首先發(fā)表了關(guān)于高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的論文，但未提到施加震擊荷載，期主要內(nèi)容論證了根據(jù)受力和加速度波形的受力與時(shí)間的變化，根據(jù)受力與速度波形之間的相對(duì)變化，計(jì)算出樁身內(nèi)部機(jī)構(gòu)的完整性系數(shù)，并作為評(píng)估其質(zhì)量的主要指標(biāo)。
?。?）高應(yīng)變法的優(yōu)勢(shì)和缺陷
1）高應(yīng)變法的優(yōu)勢(shì)有：①剪切波由于波長(zhǎng)較大從而可以大大地較少波速損失；②脈沖能量高、抗干擾性強(qiáng)、衰減比率小、信噪比較高，很適用于檢測(cè)上方承載有結(jié)構(gòu)物的樁基；③比低應(yīng)變法更有穿透力，能探測(cè)到采用低應(yīng)變法不能測(cè)到的樁身內(nèi)部較隱蔽的缺陷；④低應(yīng)變波易被水平裂縫反射，在缺陷處和頂端造成往復(fù)發(fā)射，從而使結(jié)果產(chǎn)生誤判現(xiàn)象，但是高應(yīng)變法就不存在這樣的缺陷；在對(duì)樁基承載力評(píng)估上，高應(yīng)變法優(yōu)勢(shì)更為突出、可信度較高，相比之下，低應(yīng)變法存在很大的不確定性。
2）高應(yīng)變法的缺陷：①盲區(qū)半徑大、分辨率較低，淺出缺陷反射波易和下行波形成疊加，造成定位能力比低應(yīng)變法弱；②成本高、操作復(fù)雜、安全系數(shù)低。目前高應(yīng)變法在檢測(cè)樁基完整性無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中僅起輔助作用，實(shí)際應(yīng)用較少。
2.3高、低應(yīng)變法相結(jié)合
在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)采取高、低應(yīng)變法兩種手段的優(yōu)勢(shì)，綜合運(yùn)用“雙速度”法等改進(jìn)了的低應(yīng)變法和高應(yīng)變CASE法進(jìn)行檢測(cè)。低應(yīng)變發(fā)可用于檢測(cè)樁身近水面一定區(qū)域的中、淺層缺陷，高應(yīng)變法主要用于檢測(cè)基樁的深部缺陷。
3 結(jié)語(yǔ)
無(wú)損檢測(cè)是在不對(duì)原有結(jié)構(gòu)造成任何破壞的情況下進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有了應(yīng)用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)剩余服役年限的制度，也成為建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)的主流趨勢(shì)。低應(yīng)變和高應(yīng)變兩種檢測(cè)手段都有其優(yōu)缺點(diǎn)，且二者的優(yōu)缺點(diǎn)具有一定的互補(bǔ)性，因此目前高、低應(yīng)變法結(jié)合使用在實(shí)際案例應(yīng)用中起到很好效果。
