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22低应变锤击法基桩无损检测工法
低应变锤击法基桩无损检测工法
(92—16工字02号)
铁道部第十六工程局科研设计处 郭秀琴 方利成
一、前言
目前,桩基础在大型建筑中已占相当大的比重,其质量之优劣直接影响建筑的安全与稳定,因此,工程界对基桩质量的评定标准和检测手段越来越关注。
我国铁路特大桥的基桩质量检测,以往主要采用取芯法,测定基桩的承载力则以静载试验法为主,这样做既费工又费时,还造成基桩破损。随着光电信息技术的发展,无损伤检测动力法逐渐形成,低应变锤击法基桩无损检测便是其中之一,它是由铁道部科学研究院研制的,在我局试验,经过5年的应用和不断分析总结,形成了本工法。
一、工法特点
1.采用大激振力、宽频带激振系统,符合窄脉冲、宽频域瞬态激振基本条件,激振设备简单,可重复采集信号。
2.采用加速传感器接收系统,抗干扰能力强,信噪比高。
3.应用时域一频域综合判释法来判断基桩质量,判据充分,准确可靠。
4.检测速度快,对施工无干扰,检测费用低,仅为钻取芯样法的1/30。
5.工艺简单,无需对桩头作特殊处理和在桩内预埋管道,故可实现基桩普查。
二、适用范围
本工法适用于长径比≤60的基桩(包括钻孔桩、挖孔桩、振动沉桩和预制桩等)、梁、柱等钢筋混凝土结构的检测,也适用于诸如隧道和地下工程混凝土衬砌的厚度、强度及回填密度的检测。其使用条件是:待测混凝土结构物的养护期不得少于7天,其顶部必须暴露在空气介质之中。
三、工艺原理
低应变锤击法是用激振器敲击桩顶,激起桩内纵向应力波沿桩身传播,当遇到缺陷或到达桩底时,波的部分能量会反射回桩顶,被拾振器接收,根据接收的信息来判断基桩质量。
此检测技术是应用波动理论,依据基本假定条件和简化力学模式确定的,如图1、图2所示,视桩为一均质弹性直杆,横截面在受力时保持为平面,忽略桩内外的摩擦阻力,桩周土约束支承力集中于桩底。
波动方程
在冲击力作用下,根据力的平衡条件推导出波动方程为
式中:ρ——质量密度;
A——杆件截面积;
U——质点位移;
N——轴向内应力;
E——弹性模量;
VC——纵向应力波传播速度。
(二)桩的特征频率
由(3)式求出直杆振动频率方程
(缺公式)
式中ωn——圆频率,它与桩的固有频率fn的关系为ωn=2πfn;
Kd——桩底弹簧刚度。
根据不同的边界约束条件,桩的固有频率fn的计算公式分别为:
桩两端自由(即Kd=0)类似摩擦桩时
(缺公式)
一端自由另一端固定(Kd=∞)类似嵌固端承桩时
(缺公式)
一端自由另一端弹性连续(0<Kd<∞=类似弹性地基上的桩时
(缺公式)
但是,不论哪种边界约束条件,桩的特征频率Δfn都应为
(缺公式)
上述诸式中n=1,2…。
(三)应力波的传播规律
在冲击力的作用下,应力波从桩顶沿轴线方向向桩底传播,当介质发生变化时,在其分界面上同时产生反射波和透射波(见图3),我们以ρ、Vc、A和ρ1、Vc1、A1分别表示两种介质的密度、弹性应力波波速和桩身横截面积,根据能量守恒定律、广义波阻抗法和牛顿第三定律,求得两种介质的波阻抗比ψ,反射系数F和透射系数T如下:
(缺公式) (9)
(缺公式)
从上式可知,杆件材料的广义ρ、Vc、A总是正值,故ψ>0,T>0,就是说透射波和入射波是同号的。现将F的正、负与桩的缺陷的关系分析如下:
F<0,可以是A=A1,而ρVc>ρ1Vc1,相当于应力波从硬材料向软材料传播,类似断桩、离析桩或摩擦桩底的反射;也可以是A>A1,ρVc=ρ1Vc1,即杆件材料不变,应力波由大截面向小截面传播,类似缩颈情况;
F<0,可以是A=A1,ρVc<ρ1Vc1,相当于应力波从软材料向硬材料传播,也可以是ρVc<ρ1Vc1,A<A1,即应力波从小截面向大截面传播,类似扩颈桩或嵌岩桩底反射情况。
(四)频谱分析
应用傅利叶变换公式将时域值改为频域值。其中功率谱G(f)=(缺公式) ,能量谱E(f)=2|x(f)|2,式中的x(f)为信号x(t)的幅度谱,T为采样长度。频谱和频谱间在频率域的相关分析,可以判断系统的输入信号和输出信号之间的频相关系,据之判明桩的质量。
根据上述工艺原理,确定操作工作示意图(见图4)。
四、施工工艺
(一)工艺流程(见图5)
(二)操作要点
1.准备工作
(1)选择响应传感器
主要依据
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