在役橋梁水下樁加固施工質量檢測方法探討

李 明,路 璐

(蘇交科集團股份有限公司,南京 210017)

樁基礎是橋梁的主要受力構件,承受著上部結構傳來的全部荷載,其性能、狀態會改變橋梁的整體承載能力,影響到橋梁的運營安全。在役橋梁的水下樁基礎會出現各種病害,首先,由于施工質量把控不嚴等原因,水下混凝土樁基礎會出現錯臺、偏心、傾斜、孔洞、露筋等先天性病害;其次,水下樁基礎受水流沖刷、侵蝕及人為因素(如船撞)等影響,可能產生混凝土開裂、破損、淘空等病害,進而影響橋梁整體結構的安全性與耐久性[1]。

在我國現行的橋梁檢測評定標準中,橋梁水下樁加固后施工質量的檢測方法較少。因此有必要對在役橋梁水下樁加固后施工質量的檢測技術進行研究,為水下樁加固質量驗收提供參考依據。

1 在役橋梁水下樁無損檢測技術現狀

1.1 常用樁基檢測技術

常用樁基檢測技術如表1 所示。外觀檢測對于損傷部位、損傷程度、裂縫分布等可以做出宏觀描述,為后期的深入研究奠定基礎[2]。但在多數情況下,僅靠外觀檢測難以對結構內部的損傷程度做出判定。出于安全和成本的考慮,在受損橋梁檢測中也不能貿然使用荷載試驗類方法[3]。一些無損檢測方法[4]難以提供關鍵性數據,如回彈方法僅提供混凝土表面強度的分布信息,無法檢測樁體內部的損傷[5];地質雷達可以用于樁基混凝土密實性探測,對內部空洞響應敏感,但是受鋼筋遮蔽影響,也無法反映強度變化及細微開裂[6]。在役橋梁的水下樁缺陷檢測是一個工程難題,樁基檢測中最常使用的聲速管檢測(超聲透射法)也無法用于水下樁[7]。小應變類測樁方法僅適用存在自由端的樁基,對存在上部結構的墩柱不適用[8]。旁孔法可用于存在上部結構的在役橋梁樁基,但需要在樁旁鉆孔,難以用于水下樁基檢測[9]。國內外針對既有樁基檢測的研究思路,有一部分集中在基于原有樁基檢測技術,改進觀測方案和數據處理方法,如樁側激振法[10]、雙速度法[11]以及基于側壁R 波波速的檢測技術[12]等。

表1 常用樁基檢測技術

1.2 橋梁水下樁檢測技術

國內外橋梁水下樁的無損檢測技術[13]如表2 所示。

2 成橋樁檢測技術

樁聲波成像法是基于聲波散射偏移理論,專為具有上部結構(如蓋梁、承臺、建筑物等)的樁基檢測研發的成橋樁檢測技術方法。檀軍鋒等[14]通過理論分析和數值模擬手段對PST 技術的原理進行闡述,并開展樁基的樁長檢測試驗,與旁孔透射波法的計算結果進行對比驗證。PST 技術已多次在實際樁基工程中得到運用,如浙江寧波某橋35 根樁的檢測中,查出6 處樁基水下部位存在損傷;福建某碼頭被船撞擊后受損,對該碼頭樁基進行檢測,成功排查出2 根樁基的4 處破損。在此基礎上,進一步探討PST 技術用于在役樁柱式橋梁水下樁加固施工質量評價的可能性,通過工程實例,探討對于樁基完整性評價的效果,歸納總結PST 反演圖像中對缺陷等的判定方法、判斷原則與圖像特征。

2.1 PST 基本原理

PST 基本原理示意如圖1 所示。

圖1 PST 基本原理示意

對于在役橋梁樁基而言,在其樁側激發彈性波,彈性波在具有上部結構的樁基中進行傳播,樁基內存在多個彈性波阻抗界面,會形成直達波、多組反射波與透射波,并交匯在一起,構成在空間內疊加的上行波場和下行波場。采用PST 技術,在樁側布置觀測系統進行彈性波激發與接收,利用多道數據中波場內的上行波組與下行波組的彈性波同向軸斜率的差異,通過頻率-波數域轉換進行波場分離,并采用偏移成像技術定位反射界面。該技術可用于評價橋梁水下樁加固后的施工質量。

2.2 成橋樁檢測技術數值模擬

采用Tesseral 2-D 全波場模擬軟件,模型為具有上部蓋梁的樁基,模型樁長設為29 m。地面設置為坐標零點,樁底位置為-20 m;缺陷位置為-9 m,缺陷厚1.5 m;9 m 處存在蓋梁,蓋梁厚3 m;炮點位置為8 m,偏移距為0.5 m;14 道檢波器從上至下排列,道間距為0.5 m;混凝土波速設為4 km/s,缺陷處波速為3 km/s。橋樁模型示意如圖2 所示,道集模擬記錄如圖3 所示。

圖2 橋樁模型示意

根據道集模擬記錄可清晰地分辨出直達波及其缺陷、樁底的反射波同相軸。通過讀取直達波走時,計算得到混凝土波速為4 km/s;通過讀取缺陷、樁底的反射波走時及相速度,計算得出樁長為29 m、缺陷位置為-9 m,與模型一致。

3 現場檢測的技術要求

3.1 儀器設備要求

成橋樁檢測系統主要包含成橋樁檢測儀和接收信號用的檢波器拖纜,成橋樁檢測系統組成如圖4 所示。

圖4 成橋樁檢測系統組成

3.2 現場數據采集要求

3.2.1 現場布設的要求

成橋樁檢測時存在車輛通過等外界干擾,為便于解析結果并排除干擾,同一根樁應設置多組排列形式,采取多排列對比分析。由于系梁的存在導致波場復雜[15],應避開系梁布設排列,每根樁設置2～4 組排列,樁基排列設計(俯視圖)如圖5 所示,俯視圖中數字為排列序號。具有系梁結構的樁基中,兩邊樁基布設3 組排列,中間樁基布設2 組排列。而單樁則可以布設4 組排列,必要時可加密或有針對性地進行布設排列。

圖5 樁基排列設計(俯視圖)

3.2.2 震源激發的要求

基于降低波場分離難度的目的,須保證激發點位于檢波器上方,從而使入射波位于下行波場,反射波位于上行波場,可采用錘擊震源進行激振,激發點(震源)設置于檢波器串上端,多次激發采集以保證數據質量,必要時可進行信號疊加。

3.2.3 信號采集的要求

采用多道檢波器串以記錄樁體中的彈性波數據,從而達到分離波場、獲取相速度的目的。數據中道數越多越容易追蹤同相軸,從而便于分離上下行波場。為防止數據處理時出現假頻,采用16 道檢波器串固定在樁身側面進行信號接收,并使用隔音棉包裹以減少聲波干擾。

4 數據處理關鍵技術

4.1 數據處理流程

數據處理流程如圖6 所示,各流程內容如下。參數設置:將原始數據導入工程文件,并根據現場記錄編輯準確的空間坐標參數。

圖6 數據處理流程

預處理:對原始數據進行初步處理,確定原始波場,包含帶通濾波或帶陷濾波、切除干擾波、直達波速讀取、時間校正等操作。

波場分離:將原始波場區分為上行波場(反射波場)和下行波場,并進行方向濾波和時間增益處理。

偏移成像:根據上行波場和下行波場進行合成孔徑偏移成像,將波形轉化為更直觀的圖像成果。

4.2 波場分離及方向濾波技術

波場分離及方向濾波技術是數據處理的核心。為避免結果中出現假象,須先采取波場分離功能將不同方向的波分開,并采取方向濾波技術濾除干擾波、突出反射波,再進行偏移成像計算。利用二維FFT(fast Fourier transform,快速傅里葉變換),計算公式如式(1)和式(2)所示,將時間-偏移距(TX)域信號轉變成頻率-波數(F-K)域信號。根據上下行波場的視速度相反原則,實現波場分離,原始波場如圖7 所示,上行波場如圖8 所示,下行波場如圖9 所示。根據混凝土波速區間,設置濾波參數,實現方向濾波,頻率-波數(F-K)域濾波示意如圖10 所示。

圖7 原始波場

圖8 上行波場

圖9 下行波場

圖10 頻率-波數(F-K)域濾波示意

式中,F為傅里葉變換;ω為頻率;k為波數;f為函數;t為時間;x為位置坐標。

4.3 合成孔徑偏移成像

合成孔徑偏移成像公式[16]如式(3)所示。

式中,α為散射強度;r為距離;M為記錄中的道數;xj為j點的位置坐標;x0為發射點坐標;va為平均波速。

采用合成孔徑成像技術時,可利用波場分離及方向濾波后的波場數據與波速掃描給出的混凝土速度,定位波阻抗界面,并以圖像的形式直觀展現。

5 PST 檢測結果的工程解釋要點

5.1 PST 檢測成果圖像

典型PST 檢測成果如圖11 所示。圖像中縱坐標是深度(基于不同的零點設置時會產生相應變化),以不同條紋表征反射界面的位置及反射能量的強弱?；谄瞥晒麍D及相關資料(如設計圖紙、地勘資料等),工程解釋的重點是對反射界面進行判讀,分辨樁底、系梁、缺陷、地層等反射界面,最終對樁基質量進行評價?；诖罅吭谝蹣蛄旱臉痘鶛z測試驗研究,并根據反射界面在偏移圖像中的特點,總結出相關工程解釋要點。

圖11 典型PST 檢測成果

5.2 樁基結構反射的判定

樁底的判定是偏移圖像解釋的基礎,樁長計算是成橋樁檢測中最重要的內容之一。樁底界面的判定基于3 個特征:樁底反射界面會清晰顯示在偏移圖像中,條紋較多,能量較強;對比不同測線的偏移圖像,樁底反射界面的深度應近似;解釋判定不應脫離工程實際,應參考設計及施工資料。

系梁反射界面的判定基于4 個特征:系梁反射界面的能量比較強,這是由于系梁結構距觀測系統較近所致;對比不同測線的偏移圖像,系梁反射界面的位置較接近;同一系梁相關樁的位置應較接近;參考設計及施工資料,系梁反射界面深度接近資料記錄位置。

5.3 缺陷反射的判定

缺陷(包含前期施工缺陷及后期樁基受各種因素影響導致的損傷)是工程解釋的重點與難點。缺陷具有局部特性,發育的形狀、位置和范圍存在差異,可針對某個排列進行解釋。缺陷的判定基于2 個特征:與樁底反射相比,缺陷反射界面的能量較強;同一根樁的相鄰測線在同一位置有相同反射界面。典型缺陷反射如圖12 所示。

5.4 地層界面反射的判定

某些剛度變化較大的地層界面也會體現在偏移圖像中,這是由于樁基與地層的相互作用導致接觸處的樁體波阻抗發生變化。地層反射界面的判定基于2 個特征:地層反射界面具有區域相關性,相鄰幾根樁在相同的埋深上都存在反射界面,且反射強度接近;參考地勘資料,這是解釋地層反射的重要依據。由圖12 可以看出,近似在同一深度范圍內都有反射界面出現,參考地勘資料,推測此為從土層進入巖層的反射。

6 現場試驗

6.1 在役橋梁水下樁病害情況

在某橋的河道降水清淤過程中,發現水下部位樁基出現較為嚴重的混凝土缺損和縮徑病害,在役橋梁水下樁病害現場情況展示如圖13 所示。

圖13 在役橋梁水下樁病害現場情況展示

6.2 在役橋梁水下樁加固方案

該橋樁基的混凝土缺損嚴重、縮徑明顯,樁基主筋已完全外露,存在極大的安全隱患,因此采用樁基外包混凝土的方式處理。具體通過系梁底部豎向植筋的方式設置樁基豎向鋼筋,環向設置24 根豎向鋼筋,對樁基進行植筋,植筋豎向間距為15 cm,水平向每層植入12 根,呈梅花狀布置。布置環向箍筋,豎向間距為15 cm。設置壁厚10 mm鋼護筒,澆注20 cm 厚C30 混凝土進行樁基外包加固。

6.3 橋梁水下樁加固后施工質量檢測

采用成橋樁檢測技術對該橋進行檢測,檢測時按照所述方式在柱身側壁布置測線。PST 數據采集現場如圖14 所示,偏移成像結果如圖15 所示。

圖14 PST 數據采集現場

圖15 偏移圖像成果

圖像零點位置為系梁上界面,檢測結果為:3 條測線在0 m 處均有明顯反射,對比現場資料后判定為系梁反射;3 條測線在-5 m 處均有明顯反射,對比現場資料后判定為加固區下緣反射或水底反射;3 條測線在-22.5 m 處有反射,對比現場資料后判定為地層反射;樁底反射明顯,樁長為28 m;加固區域反射不明顯,說明加固質量良好。綜上所述,PST檢測方案對橋梁水下樁加固后施工質量的檢測具有高度可行性,豐富了在役橋梁樁基的無損檢測手段。

6.4 某缺陷樁PST 技術與CT 技術現場結果對比

PST 現場檢測遵循所述標準,于單樁4 個面布置測線,缺陷樁基PST 檢測結果如圖16 所示。

聲波CT(computed tomography,計算機層析成像)技術檢測區域為截面布置,于PST 檢測認定缺陷處,緊貼樁基表面布置32 道檢波器,完成自激自收觀測,缺陷樁基缺陷處聲波CT 檢測結果如圖17 所示。

圖17 缺陷樁基缺陷處聲波CT 檢測結果

由圖17 可知,左側存在低速區域,為松散混凝土缺陷,且通過計算得出平均波速為3 260.40 m/s,離散度為10.46%,離散度偏大,混凝土不均勻,存在離析現象。PST 技術與聲波CT 技術對樁基缺陷的認定基本一致。為進一步對比,在同一根樁基PST 技術認定完整處也同步開展聲波CT 檢測,缺陷樁基完整處聲波CT 檢測結果如圖18 所示。通過計算得出平均波速為3 702.08 m/s,波速較大,且波速云圖中無低速區域,離散度為5.21%,混凝土較均勻。聲波CT 檢測結果認定該處無缺陷,與PST檢測結果一致。

圖18 缺陷樁基完整處聲波CT 檢測結果

7 結語

通過數值模擬以及實際工程應用,探討一種無損檢測的新技術——成橋樁檢測技術,明確現場檢測的技術要求,提出數據處理的關鍵,總結水下樁檢測結果的工程規律,最終驗證了采用成橋樁檢測技術檢測并評價水下樁加固質量的可行性。