桥梁桩基础设计规范探讨
2016-10-17
1 概述
西藏拉萨市纳金大桥，位于拉萨市城郊，连接纳金路和川藏公路。该桥主桥上部构造采用70m+117m+117m+70m斜拉桥，纳金大桥地质条件为下部结构基础均为摩擦桩。桥址区地层依次为松散卵石、稍密卵石含粗砂土、中密卵石含粗砂土、密实卵石含粗砂土。
图1 纳金大桥主桥桩位布置图
2 提出问题
2.1 低应变检测法检测桩基完整性原理及方法
2.1.1 测试原理。其检测原理为：在被测桩头施加一个瞬时激振力，使桩身产生压缩应力波，应力波通过并沿桩身向下作质点运动，同时把桩看作一个一维弹性杆件，应力波在桩身中的运动规律满足一维波动方程，即：
式中：
u——桩身轴线位移
E——弹性模量
c——应力波传播速度
ρ——质量密度
当桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断桩或严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接收放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。检测分析反射波的传播时间、幅值、相位和波形特征，得出桩身缺陷的位置、大小、性质等信息，最终对桩基的完整性给予评价。
2.1.2 测试方法。现场测试时，传感器放置距桩心2/3R处且安装位置平整尽可能使传感器垂直于桩头平面，用一特制的锤子敲击桩顶，RSM-PRT（T）检测仪采集桩身反应曲线，并储存起来，室内用专用计算机软件进行计算分析。测点布置示意图参见图2：
图2 低应变反射波法测点示意图
2.1.3 测试仪器。低应变检测采用设备如下：（1）中科智创岩土技术有限公司生产的RSM-PRT（T）检测仪1台；（2）加速度传感器1只；（3）专用锤击设备1个；（4）计算机软件1套；（5）计算机1台。
2.2 桩身完整性分类
根据《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01-2004）规定，桩身完整性类别应按下表1划分：
2.3 施工现场桩基完整性检测结果
桩径1.2m的摩擦桩设计文件中没有布设声测管，桩基完整性检测采用低应变检测法。由桩基检测原理我们知道，声波在桩基内传播确定桩基的桩底和判断桩基的完整性，检测结果的好坏和判断桩基完整性的根本是要在应力波幅中看到桩底的反射信号，而后才是判断桩基是否有断桩、离析、夹层等完整性问题。由此得出，低应变检测桩基完整性的检测中，判断桩底信号是非常重要的。下面列举几个油低应变检测的声波信号，下图是2号桩的检测分析数据，在重复检测多次后才检测到了微微的桩底信号：
经过多次复测才检测到了桩底的信号，像2号墩这样的例子还有很多，大部分桩径为1.2m的桩都是经过了多次复测后才检测出了桩底信号，才能给桩基的完整性判断提供可靠依据。多次的重复检测，不但给检测人员增加了额外的工作量，增加了检测成本，而且也给施工单位的上部结构施工拖延了工期，造成了不必要的损失。特别是在西藏地区，地质情况主要是以松散鹅卵石为主要地质形式的地区，全年施工工期有限，是仅在夏季和秋季初才能施工的区域，这种由于检测带来的成本增加所造成的影响施工进度问题就尤为突出。
通过咨询相关设计人员及查阅《桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）和《桩基础设计规范》（JTG D63-2004）后笔者发现，规范中并未明确规定桩基础的完整性检测要根据不同桩径和桩周地质情况而变化，而是建议设计人员在选择是超声波检测或者是低应变检测桩基的完整性时查阅《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01-2004）。而在《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01-2004）中也只是规定了各种检测桩基完整性方法所适用的桩径大小，同样没有对桩周地质情况对低应变检测时会遇到的问题加以说明和建议或规定。以至于设计人员在设计之初虽然满足了设计规范，却在特殊的地质条件下从事低应变检测桩基完整性的工作人员带来了
不便。
3 解决方法
在桩基的完整性检测中除了低应变检测法，还有一种常用的检测方法就是声波透射法，该方法的测试原理及方法如下所述。
3.1 测试原理
混凝土的物理力学性质受其内部结构特性与外部环境条件等多种因素制约，其声波传播特性反映了混凝土的应力应变关系。根据弹塑性介质中波动理论，应力波波
速为：
式中：
E——介质的动态弹性模量
ρ——密度
μ——泊松比
而弹性模量与介质的强度之间存在相关性。超声波在混凝土中的传播参数（声时值、声速、波幅、衰减系数等）与混凝土介质的物理力学指标（动弹模、密度、强度等）之间的相关关系就是基桩超声检测的理论依据。当混凝土介质的构成材料、均匀度、施工条件等内、外因素基本一致时，超声波在其中的传播参数应基本一致；而介质中存在缺陷时，超声波则在传播过程中产生绕射、反射、衰减等现象，使其声时、声速、声幅、频谱等产生变化，高精密声波发射-接收仪器及传感器可记录与描述混凝土的内在质量。
3.2 主要仪器设备
本次超声检测主要采用北京市康科瑞工程检测技术公司生产的NM-4A非金属超声波检测仪1台及N-YH40园管形径向换能器2只。 3.3 检测方法
检测前向所有受检混凝土灌注桩预埋声测管内注满清水，用钢卷尺测量桩顶声测管之间的净距离。将声波跨孔测试换能器分别置于预埋管中的两个声测孔的底部，以同一高度等距离同步移动，逐点测读声学参数并记录换能器所处深度，测点间距为20cm，桩基声波透射法现场检测示意图参见图7。各测点发射与接收换能器累计相对高差不大于2cm，并随时校正，当发现读数异常时，则对数据可疑的部位进行复测或加密检测。采用对测、斜测、交叉测及扇形扫测等方法，确定缺陷的位置和范围。
在同一基桩检测中，以每两声测管为一个测试剖面，分别对所有剖面进行检测，其现场检测声测管编号示意图参见图8。
图7 桩基声波透射法现场检测示意图
图8 桩基声波透射法声波覆盖面示意图
3.4 数据处理及判定
桩身混凝土异常的临界值用以下三种情况来判定：
3.4.1 声速判据。超声波在混凝土中的传播速度（波速）Vp依据实测声时值tp、测距L计算得出：
tp=t-t0-t’
式中：
t0——声时值初读数
t’——声时值修正值
式中：
D——测管外径
d——测管内径
d’——换能器外径
Vt——检测管壁厚度方向声速
Vw——水的声速
Vp=μp-2σv
μp（μt）、σv（σt）——波速平均值、波速标准差
当实测混凝土声速值低于声速临界值时，应将其作为可疑缺陷区。
3.4.2 波幅判据。用波幅平均值减6dB作为波幅临界值，当实测波幅低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺
陷区。
AD=Am-6
Am=
式中：
AD——波幅临界值（dB）
Am——波幅平均值（dB）
Ai——第i个测点相对波幅值（dB）
n——测点数
3.4.3 PSD判据。采用斜率法作为辅助异常判据，当PSD值在某测点附近变化明显时，应将其作为可疑缺
陷区。
PSD=
式中：
tci——第i个测点的声时
tci-1——第i-1个测点的声时
Zi——第i个测点的深度
Zi-1——第i-1个测点的深度
所以，我们能通过声波透射法很轻易地检测出桩基的完整性。对于混凝土声速和波幅值出现异常并判为可疑缺陷区的部位，还可以采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。
4 结语
根据以上所述声波透射法检测的原理，可以发现声波透射法比低应变法有很大的优势，即声波透射法不受地质条件的影响。所以笔者建议在桩基础设计规范中可以加入一点，即根据地质勘探的结果在设计桩基础时如果地质是松散卵石、稍密卵石含粗砂土、中密卵石含粗砂土、密实卵石含粗砂土等波阻抗与混凝土相近的地质情况时，可以在设计之初就将桩基础设计为采用声波透射法检测桩基完整性。它通过预先埋好的声测管，再通过水的耦合，可以快捷、准确地检测出桩基的完整性。不存在数据采集后传输到电脑上后会有无法判定的问题，会给检测人员带来很大的方便，同时也不会由于重复检测而给施工单位造成拖延工期的问题。
参考文献
[1] 公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）[S].
[2] 公路桥涵养护规范（JTG H11-2004）[S].
[3] 公路桥涵通用设计规范（JTG D60-2004）[S].
[4] 公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）[S].
[5] 大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].
[6] 交通部.公路桥涵养护技术规范[S].2004
[7] 公路工程质量检验评定标准（JTG F80/1-2004）[S].
作者简介：杜建华（1983—），男，河北保定人，招商局重庆交通科研设计院有限公司助理工程师，硕士，研究方向：桥梁检测与加固。
