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钻芯法的误差分析与异常数据的处理方法研究
发布时间:2017-07-26 13:00:11      来源:未知
丁双双,李祖辉,许振华,柴明明
(苏州方正工程技术开发检测有限公司,苏州 215123)
摘要:钻芯法评定混凝土的强度,是国际上比较认可的方法,但是该方法存在着一定的局限性,同时鲜有检测单位对数据异常值进行判断并采取措施,制约着对于混凝土强度评定的准确性。
关键词: 误差,芯样,异常值,离群值,修正

0引言

检验评定实体结构混凝土的强度时,我国规范规定采用同条件养护试块的抗压强度为标准[1]。对于结构实体的强度合格性评定,我国建立了相关的标准,如CECS03:2007、JGJ/T 384-2016以及JGJ/T 23-2011 。不同的检测方法的测试精度与适用条件不相同,因此采用不同的检测方法一般会取得不同的检测结果。我国各检测规范并没有明确说明以哪种检测方法为准,这就给检测者对于实体结构混凝土强度的合格性评价带来困扰。国内外一般认为钻芯法最接近混凝土的实际强度,其检测结果可以作为其他无损检测的参照[2]。但是钻芯法存在着一定的局限性,现有检测机构很少对数据异常值进行判断并采取采取措施。并且异常数据判定标准的不统一或者检验标准存在局限性。例如文献[3],仅给出了15个以内检测数据的判定标准。对于其他情况,并未给出相关解释。这些制约着对于混凝土强度评定的准确性。
钻芯法造成误差一般是由系统误差,随机误差以及取芯工艺及芯样制作造成的误差。

1系统误差

《钻芯法检测混凝土强度技术规程》JGJ/T384-2016规定,钻芯法确定的检验批混凝土抗压强度是按照推定区间的确定方法。推定区间是对检测批混凝土相应强度真值的估计区间。取芯法的置信区间为0.90,小直径芯样的推定区间的置信度为0.85。这就造成了取芯法存在系统误差。此外,该规范的评定方法的前提条件是各芯样强度值符合正态分布[4~5],对于小数量样本,往往是不能完全满足的。
对于单个构件的强度评定,CECS03:2007是以芯样强度最小值作为推定值,而JGJ/T384-2016是以平均值作为抗压强度代表值,规范的变更并未给出任何解释。

2 随机误差

随机误差是造成芯样强度误差的最大影响因素。钢筋混凝土本身的性质表现为明显的非均质性,并且施工时混凝土的浇筑质量、拆模时间、混凝土内部微裂缝等都造成了同一个构件不同位置芯样强度存在较大差别。据笔者的大量试验发现,同一个构件所取两个芯样强度,最大相差可以达到15Mpa。钻芯法对于构件本身有一定的损伤,所以钻芯数量有限,取样截面小。取芯法是以芯样强度代表整个构件的强度,当取得的芯样某部位存在有缺陷时,就必然得出整个构件均存在此缺陷的结论,而往往实际情况是该构件只有某一部位存在此缺陷。现对可能出现的随机误差进行总结。

2.1 钻取芯样内存在钢筋

由于钢筋探测仪的测量精度、构件内钢筋间距、操作者的熟练程度等原因,钻取芯样内很多情况下都有钢筋的存在。根据JGJ/T384-2016之5.0.3条,芯样内可以含有一根距芯样端面大于10mm的直径小于10mm的横向钢筋。如图1所示,当钢筋距端面很小时,会造成芯样的劈裂破坏。当压力机施加均布荷载时,钢筋和混凝土同时受力。由于钢筋的弹性模量约为混凝土弹性模量的6.67倍,随着荷载的增大,钢筋与混凝土的变形不再协调,钢筋外围的混凝土压缩量大,钢筋变形较小,所以钢筋承担较大的荷载,此时钢筋充当刃部,混凝土局部受压劈裂破坏,继而整个芯样提前破坏。
 
图1 芯样中存在钢筋时传力路径

2.2 芯样外围存在直径较大的粗骨料

虽然JGJ/T384-2016之6.1.2条对芯样直径与粗骨料的关系进行了规定,但是当钻取的芯样外表面存在有较大的粗骨料时,芯样强度会存在不同程度的降低。如图2所示,芯样的外侧存在有部分被钻切的粗骨料,当施加荷载时,粗骨料上下面承受竖向荷载,且当粗骨料直径越大,则越大,由于泊松效应,此时粗骨料还承担泊松力(大小为,其中为泊松比)。由于粗骨料与芯样间的粘接力主要为表面间的化学粘接力,当大于表面之间粘接力,粗骨料脱落,芯样实际受力面减小。随着荷载的增大,芯样受力变为偏心受压,芯样强度降低。
 
图2 外围存在较大直径粗骨料的芯样受力破坏机理

2.3芯样中存在气孔、裂缝等缺陷

混凝土是由固相、液相、气相三部分组成,材料组成复杂,其均一性远远差与型钢等材料,所以钻取芯样中,微裂缝、气泡在所难免。当气泡较大,或者钻取部分存在有微裂缝,则芯样的实际受力面小于计算面积,芯样强度降低。同一个构件钻芯法取得的芯样数量少,位置随机,用所取芯样代表整个构件的实际情况。当芯样中存在有大的气泡,则代表该构件整个部位均存在有大的气泡,这种情况在批量评定的情况下表现的最为明显。

3钻芯工艺以及芯样制作误差

钻芯法对于钻取机械、钻取速率、试件加工要求等均有相关的要求。但是实际工程中很难完全达到相关的要求,且有些要求在现有条件下还不能完全解决。

3.1 钻芯工艺

钻芯法规范对于钻芯机械,钻芯速率等都有相关的技术要求和规定。但是还有一些问题在现有条件下是难以解决的。JGJ/T384-2016对于芯样外观质量有明确的要求,当沿芯样试件高度的任一直径与平均直径相差超过1.5mm,该试件不宜进行试验。实际检测过程中,用膨胀螺丝将钻芯机的底座固定,转筒在高速转动下,本身就会存在抖动,当转筒转到硬度较大的骨料或者其他物体时,抖动更大。同时当待检混凝土强度比较低,膨胀螺丝不足以固定钻芯机,所取的芯样容易出现缩径、缺边、少角、倾斜及喇叭口变形、端面与轴线的不垂直度较大等缺陷,造成混凝土检测强度与实际强度偏差较大,影响对结构作出真实评价。芯样在钻取完成后,将芯样取下一般都是用楔形铁簪子伸入缝隙,锤击簪子,使芯样受弯断裂,如图3所示。
 
图3 芯样截断方式及简化受力模型
芯样底部承担的弯矩最大,即芯样底部拉力最大,当受拉应力大于混凝土的开裂应力时,芯样断裂。但是混凝土材料表现为明显的非均一性,芯样沿高度抗弯性能不可能完全一致,当芯样断裂时,混凝土芯样某一或者更多的位置可能也产生新的微裂缝,这些微裂缝的存在造成了芯样强度低于实际强度。

3.2 芯样直径的影响

随着建筑的安全等级以及抗震设防的标准的提高,构件的配筋越来越多,钢筋间距也越来越小。现在的实体检测工程,钻取直径为75mm的芯样已经很困难,很少能够满足钻取直径为100mm芯样的条件。规范JGJ/T384-2016之6.1.2的条文说明明确指出,直径为100mm的芯样的标准差较小,使用小直径芯样时标准差偏大。试验结果表明,直径70~75mm芯样试件的抗压强度的平均值与100mm的芯样试件抗压强度值的平均值基本相当。
检验批抗压强度推定值为:
                                              (1)
                                              (2)
式中, —为芯样试件抗压强度推定上限制;
—为芯样试件抗压强度推定下限值;
      —芯样试件抗压强度平均值;
—芯样试件抗压样本的标准差。
我国规范CECS03-2007之3.2.2的条文说明以及JGJ/T 384-2016之6.3.2条文说明指出钻芯法抗压强度值一般略低于构件的实际强度,但是规范并未给出解决方法。同时根据上式可以得出结论:小直径芯样的抗压强度值推定值小于大直径芯样的抗压强度值推定值。这与标样试块截然相反,主要是因为试块振捣密实,侧面平整度高,由于尺寸效应,小直径试块的缺陷较少。而钻芯法取得的芯样,钻取过程中钻芯机的晃动,使芯样存在偏差,这些偏差降低了芯样的实际受力面积或者使芯样不同程度的偏心受压,相同的偏差对于受力面积小的小直径芯样影响更大。所以小直径芯样的抗压强度更加低于构件的实际强度,因此有必要对小直径芯样的抗压强度值进行修正。

4 工程实例

为了保证检测数据的客观性、准确性,委托国家建筑工程质量监督检验中心对某工程钻取172个芯样,芯样的制作、抗压均在国家建科院完成。此次取芯分为四个检测区,八个检测批次。每个测区直径75mm芯样28个,直径100mm芯样15个。具体数据分区见表1。检测检测结果见表2.
表1 现场钻芯检测批次及数量
检测区 检测批次 芯样直径(mm) 钻芯数量(个)
A 1 100 15
2 75 28
B 3 100 15
4 75 28
C 5 100 15
6 75 28
D 7 100 15
8 75 28

4.1 工程概况

该工程为框架剪力墙结构,建筑高度99.14m,地面二十三层,地下二层,为框架核心筒结构。取芯楼层浇筑于2016年6月07~19日浇筑完成。现场检测取芯工作为2016年10月13~14日,芯样抗压试验为10月21日,芯样龄期超过90天。

4.2试验数据分析

国家建筑工程质量监督检验中心各测区的检测结果见表2 ,具体各芯样的检测结果见附表,国家建筑工程质量监督检验中心并未对取得数据进行异常值的判断与采取相应措施,即使推定区间的差值超过5Mpa和0.1。通过对比发现,各测区的芯样抗压强度值,直径75mm芯样的标准差均大于直径100mm芯样的标准差。钻芯法推定值均小于标养试块的抗压强度值。有必要对于取芯法检测数据进行修正。同时我国幅员辽阔,各个地区材料各不相同,例如中西部省份粗骨料一般为强度较低的石灰岩石,而东部地区普遍采用强度较高的花岗岩石,对于取芯法进行修正,既符合钻芯法强度低于标样试块强度的事实,也是更加符合地区实际的需要[6]。由于芯样的修正需要大量的实验数据,修正系数有待更多的试验数据拟合与验证。
钻芯法检测数据评定的前提条件是检测数据符合正态分布[7]。此次8个检测批次的检测数据柱形图见图4。通过柱形图各数据的分布,可以发现,各检测数据均不能完全满足正态分布,第二检测批次、第三检测批次、第七检测批次等均存在有明显的离群值,有必要对该离群数据进行判断。
表2 各批次检测结果汇总
检测区 检 验
批 次
芯 样
直 径
钻 芯
数 量
强度平均值 强度标
准差
推定区间 同条件试块强度/Mpa
A 1 100 15 59.0 3.8 50.1~54.8 60.5
2 75 28 60.1 7.4 44.6~50.9
B 3 100 15 60.9 4.7 50.0~55.7 60.8
4 75 28 58.4 7.2 43.3~49.5
C 5 100 15 62.2 3.7 53.6~58.1 62.4
6 75 28 57.9 5.5 46.4~51.1
D 7 100 15 62.0 4.4 51.8~57.1 61.3
8 75 28 62.0 5.1 51.3~55.7
   
    (a)第一检测批次                          (b)第二检测批次
    
(c)第三检测批次                          (d)第四检测批次
     
(e)第五检测批次                          (f)第六检测批次
 
(g)第七检测批次                          (h)第八检测批次
图4 各检测批次检测数据柱形图
山东省地方标准DB/T 2368-2013 推荐采用格拉布斯(Grubbs)准则进行异常值判断。但是一般情况下,芯样的抗压强度检测数据异常值个数均大于1,故采用峰值-偏度法进行异常值判断更为合理。现对峰值-偏度法作简单介绍:
(1)首先计算峰度统计量的值:
               (3)
(2)通过确定检出水平,查表得出临界值,当,判定离均值最远观测值为离群值,否则判未发现离群值。
(3)对于检出的离群值,确定剔除水平,查表得出临界值。当时,判定离均值最远的观测值为统计离群值,否则该离群值为岐离值。
以第二检测批次为例,确定检出水平为0.05,查出临界值>0.68,故判定离均值最远的40.5为离群值。确定剔除水平,查表得临界值>,故判定40.5为统计离群值,应当剔除。同理,检出40.6和44.6均为统计离群值,数值51为岐离值,不应剔除。以剩下的25个数据,得到芯样平均值为62.33Mpa,标准差为3.77MPa,推定区间为53.7Mpa~57.74Mpa,限差4.05Mpa。原数据标准差7.4Mpa,限差6.3MPa,已超出5Mpa与0.1。且推定值更加接近于同养试块的强度。由此可以发现属于异常数据的判断和剔除,使结果更加接近结构的实际强度,数据的处理是有必要的。这即是对事实的尊重,也是对于委托方的负责。

5结论

(1)钻芯法强度低于标样试块抗压强度,大直径芯样与小直径芯样抗压强度平均值,基本一致,大直径芯样的抗压强度标准差明显小于小直径芯样的强度标准差,这与规范的结论相一致。所以,大直径芯样强度更加接近实际强度,在可能条件下,尽量钻取直径100mm的芯样。
(2)有必要建立江苏省钻芯法地方标准,通过大量实验数据,拟合出芯样强度修正系数。
(3)钻芯法检测数据的异常值判断与剔除是非常必要的,峰值-偏度法可以很好的排除异常值。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构工程施工质量验收规范(GB 50204-2015)[s].北京:中国建筑工业出版社,2015
[2] 李建兵.结构实体混凝土强度检验与评定的试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文:2014
[3] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构现场检测技术标准(GB/T 50784-2013)[s].北京:中国建筑工业出版社,2013
[4] 中华人民共和国行业标准.钻芯法检测混凝土强度技术规程(JGJ/T 384-2016)[s].北京:中国建筑工业出版社,2016 
[5] 中国工程建设标准化协会标准.钻芯法检测混凝土强度技术规程(CECS03:2007)[s].北京:中国计划出版社,2007
[6] 刘梦溪,郑重.混凝土取芯方向与芯样抗压强度关系试验研究[J].混凝土:2012(12):109-112
[7] 中华人民共和国行业标准.数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断与处理(GB/T 4883-2008)[s].北京:中国标准出版社,2008

附表

附表1  直径100mm芯样强度检测值
第一检测批数据 第三检测批数据 第五检测批数据 第七检测批数据
序号 数值(Mpa) 序号 数值(Mpa) 序号 数值(Mpa) 序号 数值(Mpa)
1 57.1 1 63 1.0 64.9 1 68.7
2 57.2 2 69.8 2.0 61.8 2 61.3
3 60.1 3 57.2 3.0 62.3 3 59.4
4 64.0 4 57.2 4.0 63.6 4 59.4
5 59.5 5 62.8 5.0 57.9 5 62.2
6 61.8 6 66.2 6.0 64.7 6 69
7 54.0 7 50.7 7.0 57.8 7 64.5
8 64.9 8 56.2 8.0 57.6 8 60.6
9 55.9 9 59.6 9.0 66.4 9 63
10 52.5 10 62.1 10.0 65.2 10 51.4
11 57.1 11 63.9 11.0 63.0 11 62.7
12 62.1 12 62.7 12.0 61.6 12 60.7
13 64.2 13 64.6 13.0 64.9 13 63.8
14 56.6 14 60.6 14.0 54.4 14 57.6
15 57.9 15 57.2 15.0 67.0 15 65.5
                       
 

   
附表2  直径75mm芯样强度检测值
第二检测批数据 第四检测批数据 第六检测批数据 第八检测批数据
序号 数值(Mpa) 序号 数值(Mpa) 序号 数值(Mpa) 序号 数值(Mpa)
1 40.5 1 70.0 1 53.2 1 51.4
2 62.3 2 55.3 2 68.1 2 52.9
3 44.6 3 48.5 3 59.0 3 66.9
4 69.6 4 59.2 4 59.4 4 66.8
5 51.0 5 46.5 5 48.2 5 60.2
6 62.4 6 58.6 6 62.1 6 62.2
7 65.4 7 60.9 7 58.7 7 62.3
8 65.9 8 62.3 8 58.9 8 67.7
9 64.5 9 63.3 9 56.1 9 51.3
10 58.5 10 61.2 10 57.4 10 61.0
11 62.0 11 73.8 11 56.9 11 57.7
12 66.6 12 74.0 12 61.7 12 69.9
13 64.3 13 58.3 13 58.1 13 65.8
14 61.4 14 55.5 14 58.5 14 63.3
15 66.0 15 50.9 15 61.3 15 59.1
16 58.8 16 63.0 16 63.8 16 62.8
17 58.9 17 47.9 17 70.2 17 68.8
18 66.9 18 57.9 18 52.9 18 65.3
19 63.6 19 60.1 19 51.1 19 59.2
20 61.9 20 59.3 20 61.3 20 61.2
21 40.6 21 56.6 21 49.5 21 63.0
22 63.0 22 46.7 22 57.8 22 56.3
23 63.8 23 62.1 23 61.2 23 59.7
24 62.6 24 47.4 24 64.0 24 61.4
25 58.0 25 58.0 25 47.7 25 61.9
26 59.3 26 61.7 26 52.2 26 71.3
27 60.5 27 55.8 27 54.4 27 63.0
28 61.1 28 59.8 28 58.5 28 64.6