基于PST技術的既有樁基樁長及完整性檢測

檀軍鋒，蔣 輝，姚琦發

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

樁基是承受和傳遞上部結構荷載的重要結構，樁基的工程質量關乎其所支撐建筑物的安全，因此對既有樁基的檢測需求甚廣[1-2]。一方面，在眾多既有建筑改建或重建工程中，為達到樁基再利用的目的，往往需要開展既有樁基長度和完整性的檢測工作[3]；另一方面，既有建筑的樁基，在地震、滑坡等自然災害或車船沖撞等外力作用的影響下，會引起地基荷載與樁基承載力的變化，從而導致樁身和上部結構出現傾斜、變形、沉降、開裂等質量問題，也需對其進行檢測[4-5]。目前，經過業內專家學者的長期研究，已形成了一套樁基完整性檢測技術，并大量應用于建筑、公路、鐵路等行業[6]。但由于既有樁基上部結構(如已完成蓋梁、承臺、建筑物)的存在，不具備低應變法[7]、高應變法[8]、超聲透射法[9]等樁基檢測技術所依賴的樁頂檢測環境，無法進行常規樁基檢測。

既有樁基檢測的難點在于上部結構的影響，國內外主要有兩種解決方案：① 在原有樁基檢測技術上，改進采集和信號分析方法，如基于低應變反射波法改進形成的樁側激振法[10]、雙速度法[11]、基于側壁R波波速的檢測技術[12]等；② 基于新原理、新模型的檢測技術，如聲波或電磁波等工程CT技術[13-15]、旁孔透射法[16]、荷載試驗法[17]、鉆孔雷達法[18]等。

文章介紹了一種專門用于既有樁基無損檢測的新技術——成橋樁檢測技術(PST)，又稱超震波法[19]。詳細闡述了PST法原理、現場檢測方法和數據處理技術，并結合工程應用進行驗證試驗，以為既有樁基的無損檢測提供新思路，為檢測人員提供一定參考。

1 PST法基本原理

1.1 成橋樁檢測技術

成橋樁檢測技術是用于既有橋梁樁基(成橋樁)的無損檢測技術，具有以下特點：① 在樁身(柱身)側面布置激發點和接收點，采用錘擊激發橫波為主的聲波，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、地層等結構表現為記錄的不同時間處出現的上、下行波；③ 資料處理中，在上、下行波場分離的基礎上，采用偏移成像技術計算、描繪各反射界面的位置和反射波強度。

成橋樁檢測技術是建立在混凝土樁體中聲波的傳播特性基礎之上的。當樁體受到激振時，將產生縱波和橫波，其與樁體表面的相互作用產生導波。導波能量較大，是樁體內彈性能傳播的主要形式。入射導波(下行波)遇到彈性波阻抗變化界面時發生反射(上行波)。根據入射、反射波和相速度，可以確定樁體的長度、內部結構、缺陷存在情況以及混凝土的質量。

1.2 PST法的波場理論

樁體缺陷與結構面的存在會導致彈性波的阻抗變化，非均勻介質波動方程為

(1)

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

式(1)表明，當受到外界激勵時，彈性波阻抗異常處將產生反射。反射波強度與彈性波阻抗異常程度、激發強度成正比。蓋梁、系梁、樁底、地層、缺陷等均可產生反射，追蹤反射波即可發現其所在位置。

1.3 既有樁基的波場特征

樁基存在3種類型的振動，即軸對稱壓縮振動、剪切彎曲振動和剪切扭轉振動。前一種以縱波方式傳播，后兩種以橫波方式傳播。哪種類型的振動能量占優取決于激震方式與激震位置[20]。PST在樁身側面激發時，以剪切彎曲振動(橫波)為主，軸對稱壓縮振動(縱波)為輔，激振后樁內產生波的類型如圖1所示。當樁的直徑大于數倍波長時，導波模態比較穩定，變為面波，即瑞利與勒夫波。

圖1 激振后樁內產生波的類型示意

通過傳播方向可將在樁基內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，記錄中的波場如圖2所示。

圖2 記錄中的波場示意

上行波與下行波在樁基內的傳播如圖3所示。上行波包括a1、a2、a3的反射波b1、b2、b3，下行波包括激發形成的直達波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；當樁身較短時，多次反射尤為明顯。

圖3 上行波與下行波在樁基內的傳播示意

1.4 成橋樁檢測技術數值模擬

采用Tesseral 2D全波場模擬軟件進行模擬，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果如圖4所示。模型樁長度為31 m，將地面設置為坐標零點，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。觀測系統包括炮點1個(點震源)，模擬炮點位置為地上8 m處，地上0～8 m位置設置14個檢波器，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果

道集模擬結果如圖5所示，可以看出，道集記錄數據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。通過時間-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。經過偏移成像反演計算可得出樁長、缺陷位置和缺陷規模，且偏移圖像與模型對應良好(見圖4)。

圖5 道集模擬結果

2 現場檢測

2.1 PST檢測設備

現場檢測采用北京同度工程物探技術公司開發的成橋樁檢測系統，主要包括32通道采集主機和專用的檢波器拖纜，成橋樁檢測系統實物如圖6所示。

圖6 成橋樁檢測系統實物

2.2 PST檢測方案

具有系梁的樁基檢測排列如圖7所示，檢測裝置置于樁身側面，采用16道線性排列接收信號，在接收排列的上部激發聲波，設置偏移距為1 m，道間距為0.1 m。試驗時采用錘擊震源進行激發，每個排列多次采集以保證數據質量。每根樁檢測2～4組，排列之間互相垂直布置，排列布置時應避開系梁[20]，圖7中數字為排列序號。

圖7 具有系梁的樁基檢測排列示意(俯視圖)

2.3 PST現場檢測關鍵技術

2.3.1 使用檢波器串進行接收

成橋樁的波場分為上行波與下行波。為了分離上、下行波場，獲取相速度，不能僅使用1～2個檢波器，需要多道檢波器串來記錄樁體中的導波。這是因為記錄中道數越多越容易追蹤同相軸，進而易于分離波場；同時可保證排列長度大于1/4波長，防止出現假頻。通常使用16道檢波器串，設置其間距為100 mm，組成一個排列。布置時，將檢波器串固定或貼在樁身側面，同時使用隔聲材料(如隔音棉等)包裹，減少干擾波的影響。

2.3.2 激發點位于接收點上方

激發點(震源)設置于檢波器的上部，偏移距0.5～1 m處。這樣布置則入射波場是下行波，反射波場是上行波，便于波場分離和數據處理。

2.3.3 同一個樁布置多個排列

既有橋梁樁基檢測中外界干擾較大，對比分析同一根樁幾個側面的檢測結果，有利于消除干擾，判斷缺陷。

3 PST數據處理

3.1 數據處理流程

① 根據直達波走時和距離，確定樁體混凝土波速；② 進行波場分離，分離出上行波與下行波；③ 分析波組中包含的子波，構建上行波、下行波波組；④ 建立上行波組、下行波組的波組模式；⑤ 采用二維掃描進行合成孔徑偏移成像；⑥ 對偏移成像結果進行工程解釋。

3.2 波場分離技術

數據處理中，波場分離是至關重要的環節。由于波場中不同方向的波同時存在，故必須通過波場分離功能將不同方向的波分開，然后再進行成像計算，避免假象的出現，波場原始記錄如圖8所示，波場分離后的上行波場和下行波場如圖9，10所示。

圖8 波場原始記錄

圖9 波場分離后的上行波場

圖10 波場分離后的下行波場

根據上下行波場的視速度相反原則，可以利用FK變換(頻率/波數變換)實現波場分離。利用二維FFT(傅里葉快速變換)，將時域信號轉變成頻域，再根據混凝土波速(一般為大于2 000 m·s-1)確定濾波參數，進行FK濾波[20]，濾除干擾波，突出反射波，FK域濾波原理示意如圖11所示。

圖11 FK域濾波原理示意

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，則波組內各子波的傳播方向、速度相同，保持恒定的時間差。利用時間-波速域的二維掃描，識別出其中的疊加能量極值點，并存儲成波組模式，時間-波速域二維掃描結果如圖12所示。

圖12 時間-波速域二維掃描結果

利用波組的子波模式進行二維掃描，并進行合成孔徑偏移成像。采用合成孔徑成像技術，使用相關域內的地震觀測數據與波速掃描給出的偏移速度，重建地質異常體α的空間圖像。該圖像的特征可展現地質界面的位置與形態，合成孔徑偏移成像結果如圖13所示。

圖13合成孔徑偏移成像結果

4 PST檢測結果分析

PST檢測的重點是偏移圖像，同一排樁的偏移圖像和地質圖像如圖14所示。圖像的縱坐標為深度，紅藍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。檢測結果的解釋以偏移圖像為依據，其中重點內容是對樁底、系梁、缺陷、地層等界面做出判定,此外還要對混凝土的質量做出評價。樁體中不同的結構對象在偏移圖像中都有各自的特點，可依據偏移圖像的特點做出工程解釋與判定。根據大量既有樁基的檢測試驗，總結出如下工程解釋要點。

4.1 樁底與樁長的判定

樁長是PST檢測的主要內容之一。在偏移圖像中依據下列3個特點即可判定樁底界面，確定樁長：① 偏移圖像中樁底界面的反射清晰，能量比較強；② 同一根樁幾個不同側面的結果中樁底的位置比較接近；③ 參考設計資料，樁長與設計的深度接近。

4.2 系梁位置的判定

由于系梁距離檢測位置比較近，偏移圖像中反射界面具有以下4個明顯特點：① 系梁的反射能量最強，比樁底的反射能量還強；② 同一根樁不同側面檢測出的位置一致；③ 同一系梁相關樁的檢測結果一致；④ 檢測結果與設計資料接近。

4.3 結構損傷與缺陷的判定

結構損傷與缺陷是既有樁基檢測的重要內容，也是判別的難點。每處損傷與缺陷的程度和規?？赡芨鞑幌嗤?，具有局部特性，可以解釋到某個排列所在的側面。偏移圖像中具有以下特征時，可以認定反射界面為結構損傷或缺陷：① 界面的反射能量較強，強于樁底反射能量；② 至少有兩個相鄰側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出現在樁體中。地層界面具有區域相關性，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。例如，位置接近的幾根樁，在相同的埋深上反射界面反射強度接近，則可判定這個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，都會存在相同的反射界面，反映了同一個地層從細砂進入到中砂的變化。

圖14 同一排樁的偏移圖像與地質圖像

4.5 混凝土波速的確定

波速是表征混凝土密實性、強度的力學指標，可以作為評價混凝土質量的定量指標。PST檢測中通過時間-波速域二維掃描得到的波速是低階高頻導波的相速度，這個相速度近似等于樁體面波的波速VR。

5 現場應用及驗證

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，樁基外觀及檢測現場如圖15所示。為避免對其承載力產生影響，采用PST技術對其樁長及完整性進行檢測。該樁基設計長度為38 m，設計強度為C30，樁型為嵌巖樁。檢測時按照圖7所示方式在柱身側壁布置檢測排列，PST偏移成像結果如圖16所示，樁基檢測結果如表1所示。

表1 樁基檢測結果

圖15 樁基外觀及檢測現場

圖16 PST偏移成像結果

為了驗證檢測結果的可靠性，開展了旁孔透射波檢測對比試驗，樁長的旁孔法計算結果為40.05 m。對比發現，設計樁長、PST計算結果、旁孔透射波檢測結果之間相差小于1%。早在施工期開展的聲波透射法檢測結果顯示，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檢測方案可對既有樁基的長度及完整性進行檢測，且結果準確，豐富了既有樁基的無損檢測手段。

6 結語

文章介紹了一種新型的無損檢測技術——成橋樁檢測技術。該技術具有以下特點：① 采用樁身側面布置檢測排列的檢測方式，適用性更廣；② 采用多道檢波器串的接收方式，利于波場分離；③ 采用波場分離技術，區分上下行波場，避免了假象；④ 采用時間-波速域二維掃描技術確定混凝土波速，不僅能評價混凝土質量，還可定位反射界面的位置，使樁長的計算更準確；⑤ 采用偏移成像技術，將反射界面繪制在圖像中，更直觀地表現出缺陷、樁底等檢測目標。

通過開展檢測試驗，總結出了成橋樁檢測結果的工程解釋規律；在役既有樁基的檢測結果表明，成橋樁檢測技術結果準確，可供檢測人員參考、使用，應加以推廣。