为了解决既有桩基桩长及完整性检测这个技术难题,同度物探提出了使用一种无损检测新技术——PST成桥桩检测技术来进行解决。从基本原理、波场分析、现场采集、数据处理及结果的工程解释等方面对PST法进行了详细研究,并开展了其对在役桥梁的既有桩基桩长及完整性检测试验,验证其准确性。应用结果表明:PST检测技术对既有桩基的检测精度较高,对计算桩长及缺陷探测具有良好的应用效果。
PST(Pile Sonic Test)是用于既有桥梁桩基(成桥桩)的无损检测技术,具有以下特点:1.在桩身(柱身)侧面布置激发点和接收点:采用锤击激发,以横波为主,采用快速耦合的16道检波器拖缆等间隔接收;2.多道记录内,桩底/盖梁/系梁/缺陷/地层等结构表现为在不同时间处出现的上/下行波;3.资料处理中,在上下行波场分离的基础上,采用偏移成像技术,计算、描绘各反射界面的位置和反射波强度。
PST检测技术是建立在混凝土桩体中声波的传播特性基础之上的。当桩体受到激振时,将产生纵波和横波,纵横波与桩体表面的相互作用产生了导波。导波能量大,是桩体内弹性能传播的主要形式。入射导波(下行波)遇到弹性波阻抗变化界面时发生反射(上行波)。根据入射、反射波和相速度,可以确定桩体的长度、内部结构与缺陷以及混凝土的质量。
1.根据直达波走时和距离,确定桩体混凝土波速;2.进行波场分离,分离出上行波与下行波;3.分析波组中包含的子波,构建上行波、下行波波组;4.建立上行波组、下行波组的波组模式;5.应用二维扫描进行合成孔径偏移成像;6.对偏移成像进行工程解释。
数据处理中,波场分离是至关重要的环节。由于波场里面不同方向的波同时存在,必须要通过波场分离功能将不同方向的波分开,然后再进行成像计算,从而避免假象的出现,如图1-3所示。
根据上下行波场的视速度相反原则,可以利用FK变换实现波场分离。利用二维FFT变换,将时域信号转变成频域,再根据混凝土波速确定滤波参数(一般为大于2000m/s),进行FK滤波,如图4所示,滤除干扰波,突出反射波。
将同向同速传播的一组子波定义为波组,则波组内各子波的传播方向、速度相同,保持恒定的时间差。利用时间-波速域的二维扫描,将其中的叠加能量极值点识别出,并存储成波组模式,如图5所示。
利用波组的子波模式进行二维扫描,并做合成孔径偏移成像。采用合成孔径成像技术,使用相关域内的地震观测数据与波速扫描给出的偏移速度,重建地质异常体α的空间图像。该图像的特征展现地质界面的位置与形态,如图6所示。
PST检测最重要的成果是偏移图像,如图7所示。图像的纵坐标是深度,红蓝条纹表示反射界面的位置,线条的宽度表示反射能量的大小。检测结果的解释是以偏移图像为依据的,其中重点内容是对桩底、系梁、缺陷、地层等界面做出判定。此外还要对混凝土的质量做出评价。桩体的这些结构对象在偏移图像中都有各自的特点,依据偏移图像的特点做出工程解释与判定。根据开展的大量既有桩基检测试验,总结出如下工程解释要点。
桩长是PST检测最主要的内容之一。在偏移图像中依据下列三个特点可以判定桩底界面,确定桩的长度:1.偏移图像中桩底界面的反射清晰,能量比较强;2.同一根桩几个不同侧面的结果中桩底的位置比较接近;3.参考设计资料,桩长与设计的深度接近。
系梁距离检测位置比较近,偏移图像中其反射界面具有如下四个明显特点:1.系梁的反射能量最强,比桩底的反射还强;2.同一根桩不同侧面检测出的位置一致;3.同一系梁相关桩的检测结果相一致;4.检测的结果与设计资料相接近。
结构损伤与缺陷是既有桩基检测的重要内容,也是最难判别的难点。损伤与缺陷的程度和规模可能各不相同,具有局部特性,可以解释到某个排列所在的侧面。偏移图像中具有如下两个特征时,可以认定反射界面为结构损伤或缺陷:1.界面的反射能量较强,强于桩底反射;2.至少有两个相邻侧面的偏移图像中其反射界面的位置和能量相一致。
桩与地层是弹性接触,其相互作用会引起桩截面弹性波阻抗的变化。刚度变化较大的地层界面的反射波会出现在桩体中。地层界面具有区域的相关性,使用排列比较的方法可以判定哪些反射界面是地层的反应。例如,位置接近的几根桩,在相同的埋深上都存在反射界面,反射强度接近,则可判定为这个反射界面是地层界面。如图14所示,同一排桩的偏移图像与地质图对比。可以看出近似在同一深度位置上,都会存在相同的反射界面,反映同一个地层变化,从细砂进入到中砂。
波速是表征混凝土密实性、强度的力学指标,可以作为评价混凝土质量的定量指标。PST检测中通过时间-波速域二维扫描得到的波速是低阶高频导波的相速度,这个相速度近似等于桩体面波的波速VR。
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