檀軍鋒，蔣 輝，姚琦發(fā)

(1.中鐵京誠(chéng)工程檢測(cè)有限公司，北京 100043；2.北京同度工程物探技術(shù)有限公司，北京 102209)

樁基是承受和傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載的重要結(jié)構(gòu)，樁基的工程質(zhì)量關(guān)乎其所支撐建筑物的安全，因此對(duì)既有樁基的檢測(cè)需求甚廣[1-2]。一方面，在眾多既有建筑改建或重建工程中，為達(dá)到樁基再利用的目的，往往需要開展既有樁基長(zhǎng)度和完整性的檢測(cè)工作[3]；另一方面，既有建筑的樁基，在地震、滑坡等自然災(zāi)害或車船沖撞等外力作用的影響下，會(huì)引起地基荷載與樁基承載力的變化，從而導(dǎo)致樁身和上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜、變形、沉降、開裂等質(zhì)量問(wèn)題，也需對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[4-5]。目前，經(jīng)過(guò)業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的長(zhǎng)期研究，已形成了一套樁基完整性檢測(cè)技術(shù)，并大量應(yīng)用于建筑、公路、鐵路等行業(yè)[6]。但由于既有樁基上部結(jié)構(gòu)(如已完成蓋梁、承臺(tái)、建筑物)的存在，不具備低應(yīng)變法[7]、高應(yīng)變法[8]、超聲透射法[9]等樁基檢測(cè)技術(shù)所依賴的樁頂檢測(cè)環(huán)境，無(wú)法進(jìn)行常規(guī)樁基檢測(cè)。

既有樁基檢測(cè)的難點(diǎn)在于上部結(jié)構(gòu)的影響，國(guó)內(nèi)外主要有兩種解決方案：① 在原有樁基檢測(cè)技術(shù)上，改進(jìn)采集和信號(hào)分析方法，如基于低應(yīng)變反射波法改進(jìn)形成的樁側(cè)激振法[10]、雙速度法[11]、基于側(cè)壁R波波速的檢測(cè)技術(shù)[12]等；② 基于新原理、新模型的檢測(cè)技術(shù)，如聲波或電磁波等工程CT技術(shù)[13-15]、旁孔透射法[16]、荷載試驗(yàn)法[17]、鉆孔雷達(dá)法[18]等。

文章介紹了一種專門用于既有樁基無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)——成橋樁檢測(cè)技術(shù)(PST)，又稱超震波法[19]。詳細(xì)闡述了PST法原理、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并結(jié)合工程應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，以為既有樁基的無(wú)損檢測(cè)提供新思路，為檢測(cè)人員提供一定參考。

1 PST法基本原理

1.1 成橋樁檢測(cè)技術(shù)

成橋樁檢測(cè)技術(shù)是用于既有橋梁樁基(成橋樁)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：① 在樁身(柱身)側(cè)面布置激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)，采用錘擊激發(fā)橫波為主的聲波，采用快速耦合的16道檢波器拖纜等間隔接收；② 樁底、蓋梁、系梁、缺陷、地層等結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為記錄的不同時(shí)間處出現(xiàn)的上、下行波；③ 資料處理中，在上、下行波場(chǎng)分離的基礎(chǔ)上，采用偏移成像技術(shù)計(jì)算、描繪各反射界面的位置和反射波強(qiáng)度。

成橋樁檢測(cè)技術(shù)是建立在混凝土樁體中聲波的傳播特性基礎(chǔ)之上的。當(dāng)樁體受到激振時(shí)，將產(chǎn)生縱波和橫波，其與樁體表面的相互作用產(chǎn)生導(dǎo)波。導(dǎo)波能量較大，是樁體內(nèi)彈性能傳播的主要形式。入射導(dǎo)波(下行波)遇到彈性波阻抗變化界面時(shí)發(fā)生反射(上行波)。根據(jù)入射、反射波和相速度，可以確定樁體的長(zhǎng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷存在情況以及混凝土的質(zhì)量。

1.2 PST法的波場(chǎng)理論

樁體缺陷與結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)導(dǎo)致彈性波的阻抗變化，非均勻介質(zhì)波動(dòng)方程為

(1)

式中：us為散射波；v0為波速；t為時(shí)間；α(r)為該裝置的散射系數(shù)；uI為入射波。

式(1)表明，當(dāng)受到外界激勵(lì)時(shí)，彈性波阻抗異常處將產(chǎn)生反射。反射波強(qiáng)度與彈性波阻抗異常程度、激發(fā)強(qiáng)度成正比。蓋梁、系梁、樁底、地層、缺陷等均可產(chǎn)生反射，追蹤反射波即可發(fā)現(xiàn)其所在位置。

1.3 既有樁基的波場(chǎng)特征

樁基存在3種類型的振動(dòng)，即軸對(duì)稱壓縮振動(dòng)、剪切彎曲振動(dòng)和剪切扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。前一種以縱波方式傳播，后兩種以橫波方式傳播。哪種類型的振動(dòng)能量占優(yōu)取決于激震方式與激震位置[20]。PST在樁身側(cè)面激發(fā)時(shí)，以剪切彎曲振動(dòng)(橫波)為主，軸對(duì)稱壓縮振動(dòng)(縱波)為輔，激振后樁內(nèi)產(chǎn)生波的類型如圖1所示。當(dāng)樁的直徑大于數(shù)倍波長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)波模態(tài)比較穩(wěn)定，變?yōu)槊娌?，即瑞利與勒夫波。

圖1 激振后樁內(nèi)產(chǎn)生波的類型示意

通過(guò)傳播方向可將在樁基內(nèi)傳播的彈性波分為向上傳播的上行波及向下傳播的下行波，記錄中的波場(chǎng)如圖2所示。

圖2 記錄中的波場(chǎng)示意

上行波與下行波在樁基內(nèi)的傳播如圖3所示。上行波包括a1、a2、a3的反射波b1、b2、b3，下行波包括激發(fā)形成的直達(dá)波a1、蓋梁底界面反射波a2、蓋梁頂面反射波a3。上行波與下行波分別由3個(gè)震相組成，第1、2震相波速差異大，而第3震相與第2震相波速接近；當(dāng)樁身較短時(shí)，多次反射尤為明顯。

圖3 上行波與下行波在樁基內(nèi)的傳播示意

1.4 成橋樁檢測(cè)技術(shù)數(shù)值模擬

采用Tesseral 2D全波場(chǎng)模擬軟件進(jìn)行模擬，所采用的模型為具有上部蓋梁的成橋樁，橋樁模型與模擬記錄偏移成像結(jié)果如圖4所示。模型樁長(zhǎng)度為31 m，將地面設(shè)置為坐標(biāo)零點(diǎn)，則地下埋深為22 m。在地下埋深10 m處有一缺陷，缺陷厚度為2 m，地上9 m處存在蓋梁，蓋梁厚度為4 m?；炷林新曀贋? 000 m·s-1,缺陷處聲速為3 000 m·s-1。觀測(cè)系統(tǒng)包括炮點(diǎn)1個(gè)(點(diǎn)震源)，模擬炮點(diǎn)位置為地上8 m處，地上0～8 m位置設(shè)置14個(gè)檢波器，從高至低垂直排列，偏移距為1.5 m，道間距為0.5 m。

圖4 橋樁模型與模擬記錄偏移成像結(jié)果

道集模擬結(jié)果如圖5所示，可以看出，道集記錄數(shù)據(jù)可以清楚地反映彈性波在樁基中的衰減情況，以及遇到缺陷和樁底之后的反射情況，反射波同相軸清晰。通過(guò)時(shí)間-波速域二維掃描可以得出混凝土中的聲速為4 000 m·s-1,與模型一致。經(jīng)過(guò)偏移成像反演計(jì)算可得出樁長(zhǎng)、缺陷位置和缺陷規(guī)模，且偏移圖像與模型對(duì)應(yīng)良好(見圖4)。

圖5 道集模擬結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 PST檢測(cè)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用北京同度工程物探技術(shù)公司開發(fā)的成橋樁檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括32通道采集主機(jī)和專用的檢波器拖纜，成橋樁檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6 成橋樁檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物

2.2 PST檢測(cè)方案

具有系梁的樁基檢測(cè)排列如圖7所示，檢測(cè)裝置置于樁身側(cè)面，采用16道線性排列接收信號(hào)，在接收排列的上部激發(fā)聲波，設(shè)置偏移距為1 m，道間距為0.1 m。試驗(yàn)時(shí)采用錘擊震源進(jìn)行激發(fā)，每個(gè)排列多次采集以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。每根樁檢測(cè)2～4組，排列之間互相垂直布置，排列布置時(shí)應(yīng)避開系梁[20]，圖7中數(shù)字為排列序號(hào)。

圖7 具有系梁的樁基檢測(cè)排列示意(俯視圖)

2.3 PST現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 使用檢波器串進(jìn)行接收

成橋樁的波場(chǎng)分為上行波與下行波。為了分離上、下行波場(chǎng)，獲取相速度，不能僅使用1～2個(gè)檢波器，需要多道檢波器串來(lái)記錄樁體中的導(dǎo)波。這是因?yàn)橛涗浿械罃?shù)越多越容易追蹤同相軸，進(jìn)而易于分離波場(chǎng)；同時(shí)可保證排列長(zhǎng)度大于1/4波長(zhǎng)，防止出現(xiàn)假頻。通常使用16道檢波器串，設(shè)置其間距為100 mm，組成一個(gè)排列。布置時(shí)，將檢波器串固定或貼在樁身側(cè)面，同時(shí)使用隔聲材料(如隔音棉等)包裹，減少干擾波的影響。

2.3.2 激發(fā)點(diǎn)位于接收點(diǎn)上方

激發(fā)點(diǎn)(震源)設(shè)置于檢波器的上部，偏移距0.5～1 m處。這樣布置則入射波場(chǎng)是下行波，反射波場(chǎng)是上行波，便于波場(chǎng)分離和數(shù)據(jù)處理。

2.3.3 同一個(gè)樁布置多個(gè)排列

既有橋梁樁基檢測(cè)中外界干擾較大，對(duì)比分析同一根樁幾個(gè)側(cè)面的檢測(cè)結(jié)果，有利于消除干擾，判斷缺陷。

3 PST數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

① 根據(jù)直達(dá)波走時(shí)和距離，確定樁體混凝土波速；② 進(jìn)行波場(chǎng)分離，分離出上行波與下行波；③ 分析波組中包含的子波，構(gòu)建上行波、下行波波組；④ 建立上行波組、下行波組的波組模式；⑤ 采用二維掃描進(jìn)行合成孔徑偏移成像；⑥ 對(duì)偏移成像結(jié)果進(jìn)行工程解釋。

3.2 波場(chǎng)分離技術(shù)

數(shù)據(jù)處理中，波場(chǎng)分離是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。由于波場(chǎng)中不同方向的波同時(shí)存在，故必須通過(guò)波場(chǎng)分離功能將不同方向的波分開，然后再進(jìn)行成像計(jì)算，避免假象的出現(xiàn)，波場(chǎng)原始記錄如圖8所示，波場(chǎng)分離后的上行波場(chǎng)和下行波場(chǎng)如圖9，10所示。

圖8 波場(chǎng)原始記錄

圖9 波場(chǎng)分離后的上行波場(chǎng)

圖10 波場(chǎng)分離后的下行波場(chǎng)

根據(jù)上下行波場(chǎng)的視速度相反原則，可以利用FK變換(頻率/波數(shù)變換)實(shí)現(xiàn)波場(chǎng)分離。利用二維FFT(傅里葉快速變換)，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變成頻域，再根據(jù)混凝土波速(一般為大于2 000 m·s-1)確定濾波參數(shù)，進(jìn)行FK濾波[20]，濾除干擾波，突出反射波，F(xiàn)K域?yàn)V波原理示意如圖11所示。

圖11 FK域?yàn)V波原理示意

3.3 波組模式及合成孔徑偏移成像

將同向同速傳播的一組子波定義為波組，則波組內(nèi)各子波的傳播方向、速度相同，保持恒定的時(shí)間差。利用時(shí)間-波速域的二維掃描，識(shí)別出其中的疊加能量極值點(diǎn)，并存儲(chǔ)成波組模式，時(shí)間-波速域二維掃描結(jié)果如圖12所示。

圖12 時(shí)間-波速域二維掃描結(jié)果

利用波組的子波模式進(jìn)行二維掃描，并進(jìn)行合成孔徑偏移成像。采用合成孔徑成像技術(shù)，使用相關(guān)域內(nèi)的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)與波速掃描給出的偏移速度，重建地質(zhì)異常體α的空間圖像。該圖像的特征可展現(xiàn)地質(zhì)界面的位置與形態(tài)，合成孔徑偏移成像結(jié)果如圖13所示。

圖13合成孔徑偏移成像結(jié)果

4 PST檢測(cè)結(jié)果分析

PST檢測(cè)的重點(diǎn)是偏移圖像，同一排樁的偏移圖像和地質(zhì)圖像如圖14所示。圖像的縱坐標(biāo)為深度，紅藍(lán)條紋表示反射界面的位置，線條的寬度表示反射能量的大小。檢測(cè)結(jié)果的解釋以偏移圖像為依據(jù)，其中重點(diǎn)內(nèi)容是對(duì)樁底、系梁、缺陷、地層等界面做出判定,此外還要對(duì)混凝土的質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。樁體中不同的結(jié)構(gòu)對(duì)象在偏移圖像中都有各自的特點(diǎn)，可依據(jù)偏移圖像的特點(diǎn)做出工程解釋與判定。根據(jù)大量既有樁基的檢測(cè)試驗(yàn)，總結(jié)出如下工程解釋要點(diǎn)。

4.1 樁底與樁長(zhǎng)的判定

樁長(zhǎng)是PST檢測(cè)的主要內(nèi)容之一。在偏移圖像中依據(jù)下列3個(gè)特點(diǎn)即可判定樁底界面，確定樁長(zhǎng)：① 偏移圖像中樁底界面的反射清晰，能量比較強(qiáng)；② 同一根樁幾個(gè)不同側(cè)面的結(jié)果中樁底的位置比較接近；③ 參考設(shè)計(jì)資料，樁長(zhǎng)與設(shè)計(jì)的深度接近。

4.2 系梁位置的判定

由于系梁距離檢測(cè)位置比較近，偏移圖像中反射界面具有以下4個(gè)明顯特點(diǎn)：① 系梁的反射能量最強(qiáng)，比樁底的反射能量還強(qiáng)；② 同一根樁不同側(cè)面檢測(cè)出的位置一致；③ 同一系梁相關(guān)樁的檢測(cè)結(jié)果一致；④ 檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)資料接近。

4.3 結(jié)構(gòu)損傷與缺陷的判定

結(jié)構(gòu)損傷與缺陷是既有樁基檢測(cè)的重要內(nèi)容，也是判別的難點(diǎn)。每處損傷與缺陷的程度和規(guī)?？赡芨鞑幌嗤哂芯植刻匦?，可以解釋到某個(gè)排列所在的側(cè)面。偏移圖像中具有以下特征時(shí)，可以認(rèn)定反射界面為結(jié)構(gòu)損傷或缺陷：① 界面的反射能量較強(qiáng)，強(qiáng)于樁底反射能量；② 至少有兩個(gè)相鄰側(cè)面的偏移圖像中的反射界面的位置和能量相一致。

4.4 主要地層界面位置的判定

樁基與地層之間為彈性接觸，其相互作用會(huì)引起樁基截面彈性波阻抗的變化。剛度變化較大的地層界面的反射波會(huì)出現(xiàn)在樁體中。地層界面具有區(qū)域相關(guān)性，使用排列比較的方法可以判定哪些反射界面是地層的反應(yīng)。例如，位置接近的幾根樁，在相同的埋深上反射界面反射強(qiáng)度接近，則可判定這個(gè)反射界面是地層界面。由圖14可以看出，近似在同一深度位置上，都會(huì)存在相同的反射界面，反映了同一個(gè)地層從細(xì)砂進(jìn)入到中砂的變化。

圖14 同一排樁的偏移圖像與地質(zhì)圖像

4.5 混凝土波速的確定

波速是表征混凝土密實(shí)性、強(qiáng)度的力學(xué)指標(biāo)，可以作為評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的定量指標(biāo)。PST檢測(cè)中通過(guò)時(shí)間-波速域二維掃描得到的波速是低階高頻導(dǎo)波的相速度，這個(gè)相速度近似等于樁體面波的波速VR。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及驗(yàn)證

某高架橋受洪水沖擊影響，其中99#樁附近邊坡巖石垮塌，樁基明顯出露，樁基外觀及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。為避免對(duì)其承載力產(chǎn)生影響，采用PST技術(shù)對(duì)其樁長(zhǎng)及完整性進(jìn)行檢測(cè)。該樁基設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為38 m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，樁型為嵌巖樁。檢測(cè)時(shí)按照?qǐng)D7所示方式在柱身側(cè)壁布置檢測(cè)排列，PST偏移成像結(jié)果如圖16所示，樁基檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 樁基檢測(cè)結(jié)果

圖15 樁基外觀及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖16 PST偏移成像結(jié)果

為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，開展了旁孔透射波檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，樁長(zhǎng)的旁孔法計(jì)算結(jié)果為40.05 m。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、PST計(jì)算結(jié)果、旁孔透射波檢測(cè)結(jié)果之間相差小于1%。早在施工期開展的聲波透射法檢測(cè)結(jié)果顯示，1013 m位置輕度離析，在PST偏移圖像中該段存在眾多紅藍(lán)條紋，即存在彈性波阻抗差異界面，表明該段樁身混凝土分布不均勻，存在缺陷。綜上所述，PST檢測(cè)方案可對(duì)既有樁基的長(zhǎng)度及完整性進(jìn)行檢測(cè)，且結(jié)果準(zhǔn)確，豐富了既有樁基的無(wú)損檢測(cè)手段。

6 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)——成橋樁檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：① 采用樁身側(cè)面布置檢測(cè)排列的檢測(cè)方式，適用性更廣；② 采用多道檢波器串的接收方式，利于波場(chǎng)分離；③ 采用波場(chǎng)分離技術(shù)，區(qū)分上下行波場(chǎng)，避免了假象；④ 采用時(shí)間-波速域二維掃描技術(shù)確定混凝土波速，不僅能評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量，還可定位反射界面的位置，使樁長(zhǎng)的計(jì)算更準(zhǔn)確；⑤ 采用偏移成像技術(shù)，將反射界面繪制在圖像中，更直觀地表現(xiàn)出缺陷、樁底等檢測(cè)目標(biāo)。

通過(guò)開展檢測(cè)試驗(yàn)，總結(jié)出了成橋樁檢測(cè)結(jié)果的工程解釋規(guī)律；在役既有樁基的檢測(cè)結(jié)果表明，成橋樁檢測(cè)技術(shù)結(jié)果準(zhǔn)確，可供檢測(cè)人員參考、使用，應(yīng)加以推廣。