樁基無損檢測技術(shù)的進展
2015-04-02
1 引言
樁基無損檢測技術(shù)屬于工程物探發(fā)展出來的一個新領(lǐng)域，不僅成為隱蔽工程質(zhì)量檢測的一種重要手段，工程監(jiān)理質(zhì)量評估的重要依據(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)量檢驗手段。但是目前中國還存在大量碼頭、橋梁、公路和鐵路橋樁基尚未徹底檢測的，而且進行尚未普及檢測和評估服役期的基樁的樁身質(zhì)量，也沒有形成較成熟的技術(shù)標準[1]。
樁基檢測技術(shù)
2.1低應變發(fā)射波法
?。?）反射波法技術(shù)原理
基于Hessein的一緯動力學理論發(fā)展而來的動測法目前應用最為廣泛，該技術(shù)及應用的發(fā)展越來越成熟。其測試原理也在于此，某一急震力作于樁頂時，會使樁身產(chǎn)生縱向振動，而當應力波通以樁身為介質(zhì)進行傳播的過程中受到變異波阻抗時，自然會產(chǎn)生反射和投射效應，這種反射信號會由安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮占跋汝P(guān)的儀器收集記錄，再通過計算機軟件處理分析獲得波形和頻譜曲線[3]，最后根據(jù)波動理論進行分析樁身結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對樁基工程質(zhì)量做出客觀的評估。然而因為手錘敲擊的震擊力相對小，一維波動理論本身也存在局限性，因此反射波法在實際應用中存在某些缺陷，比如有效檢測深度不足、信號分析帶有較強主觀性、容易受次生反射信號干擾等。
（2）反射波法技術(shù)發(fā)展
工程師研發(fā)出新的改善方法，提高了測試精度，也增強了反射波發(fā)的實用性。目前應用前景相對可觀的方法有Johnson等人1996年提出的“雙速度法”。其測試原理：沿樁身縱向布置兩個加速度傳感器，并同時測量這兩點加速度的時域曲線[4]，根據(jù)Lundberg等人提出的實測樁身兩點的應變分析出樁身內(nèi)的上、下行波的理論，通過速度與應變的關(guān)系得到下行波的計算公式[5]，再通過兩點間距與時差計算出樁身內(nèi)的波速，從而分離出有效的上行波。實際操作中，2點的實測數(shù)據(jù)推測出波速之前，必須經(jīng)過手動或自動調(diào)制。由美國PDI公司開研究開發(fā)出的儀器及其軟件可支持雙通道測量，且自動得出上行波。此法尤其適用于對樁頂端連接有上部結(jié)構(gòu)的基樁進行質(zhì)量檢測。而實際案例中，布置多傳感器的情況大多數(shù)僅用于計算波速，并沒有很好地利用實測數(shù)據(jù)。
“雙速度”法也存在一定應用條件：①基樁露出段不低于1.5m，以供傳感器安裝；①信號分析相對復雜。為了克服實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，努力做到能根據(jù)具體情況進行改進和調(diào)整測試方法，因此應變性要求較高。
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個速度儀，在樁側(cè)橫向擊震產(chǎn)生1個同時向上和向下傳播的彎曲波，其信號分別有2個方向上終端安裝的速度儀接受并記錄下來，即時顯示時域分析結(jié)果。其優(yōu)勢在于因為剪切波傳播速度遠比縱波慢，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變測試問題。田冬俊利用Visual C++開發(fā)工具編寫過縱波和彎曲剪切波的綜合擬合程序。目前正在實驗階段的研發(fā)工作還在進行，以期開發(fā)出操作簡便的擊振設(shè)備，提剪切波信號。
2）超震波法。沿樁測共線等距布置多個接收器，當震擊樁頂端或樁身時，便可測得質(zhì)點速度隨時間變化的曲線圖。可以通過改變深度，復測獲得直達波和反射波的到達時間。平滑連結(jié)直達波到達的所有波峰點及反射波的所有波峰點，兩條連線的交點為樁底或者缺陷點。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度，在實際工程中很難保證滿足；對于長時間海水侵蝕及大量的水生生物附著的碼頭樁基的檢測，可能由于樁基表面不能達到平整度要求而很大程度地限制了超震波法的實用性和可信度。
3）縱阻抗剖分析法。由法國房屋和公共工程研究中心（CEBTP）和Paquet在1991年提出的，他們首先通過實測導納曲線獲得與基樁半徑相同的無限長的虛擬基樁的理論導納曲線，再經(jīng)過相減得出由于缺陷或樁底反射形成的導納曲，進一步通過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)計算出各深度處的阻抗，借此判斷缺陷位置。該方法的優(yōu)勢：無需豐富的經(jīng)驗，操作簡便；讀圖直觀。目前主要的缺陷是在實際應用中計算“無限長”樁的動態(tài)響應尚未實現(xiàn)，需要進一步研究。
2.2高應變法
?。?）高應變法的原理
高應變法最顯著的特征是在檢測過程找那個需要配置機械設(shè)備對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數(shù)萬kN。期中具有代表性的包括了CASE法，來自PDI公司的Rauche等人于1978年首先發(fā)表了關(guān)于高應變法檢測樁身完整性的論文，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間的變化，根據(jù)受力與速度波形之間的相對變化，計算出樁身內(nèi)部機構(gòu)的完整性系數(shù)，并作為評估其質(zhì)量的主要指標。
?。?）高應變法的優(yōu)勢和缺陷
1）高應變法的優(yōu)勢有：①剪切波由于波長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、衰減比率小、信噪比較高，很適用于檢測上方承載有結(jié)構(gòu)物的樁基；③比低應變法更有穿透力，能探測到采用低應變法不能測到的樁身內(nèi)部較隱蔽的缺陷；④低應變波易被水平裂縫反射，在缺陷處和頂端造成往復發(fā)射，從而使結(jié)果產(chǎn)生誤判現(xiàn)象，但是高應變法就不存在這樣的缺陷；在對樁基承載力評估上，高應變法優(yōu)勢更為突出、可信度較高，相比之下，低應變法存在很大的不確定性。
2）高應變法的缺陷：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變法弱；②成本高、操作復雜、安全系數(shù)低。目前高應變法在檢測樁基完整性無損檢測過程中僅起輔助作用，實際應用較少。
2.3高、低應變法相結(jié)合
在實際工程應用中，應采取高、低應變法兩種手段的優(yōu)勢，綜合運用“雙速度”法等改進了的低應變法和高應變CASE法進行檢測。低應變發(fā)可用于檢測樁身近水面一定區(qū)域的中、淺層缺陷，高應變法主要用于檢測基樁的深部缺陷。
3 結(jié)語
無損檢測是在不對原有結(jié)構(gòu)造成任何破壞的情況下進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測試驗，在發(fā)達國家已經(jīng)有了應用于評價結(jié)構(gòu)剩余服役年限的制度，也成為建設(shè)工程質(zhì)量檢測的主流趨勢。低應變和高應變兩種檢測手段都有其優(yōu)缺點，且二者的優(yōu)缺點具有一定的互補性，因此目前高、低應變法結(jié)合使用在實際案例應用中起到很好效果。
