低應(yīng)變反射波法在樁基施工質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

鐘亮根

(京福閩贛客運(yùn)專線有限公司，福州 350000)

近年來(lái)，隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)作為一種有效、安全、可靠的基礎(chǔ)形式在地基處理中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，樁基礎(chǔ)屬地下隱蔽工程，所以施工過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)縮頸、擴(kuò)頸、斷裂、夾泥、離析等缺陷，這些缺陷都不同程度的影響了樁基質(zhì)量，進(jìn)而影響到工程結(jié)構(gòu)物的安全。因此，如何準(zhǔn)確的檢測(cè)出樁基存在的缺陷成為樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

樁身完整性檢測(cè)常用方法包括有:靜載試驗(yàn)法、高應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法等[1]，而低應(yīng)變反射波法以其便捷經(jīng)濟(jì)、檢測(cè)速度快、無(wú)損、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)需求小等優(yōu)點(diǎn)[2]，已成為國(guó)內(nèi)外樁基檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛、最成熟的一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)，盧生強(qiáng)等通過(guò)精伊霍鐵路樁基工程實(shí)例，詳細(xì)分析了樁基各種缺陷與反射波形特征變化的內(nèi)在聯(lián)系[3];曹三華等結(jié)合工程實(shí)例總結(jié)出低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁基完整性的工作程序和工作要點(diǎn)[4];而白永超等從檢測(cè)存在的局限性出發(fā)，多方面探討了該技術(shù)存在的不足，并提出了相應(yīng)的解決措施和改進(jìn)方法[5]。以合福客專路基C20鉆孔灌注樁為檢測(cè)對(duì)象，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)波形的特征分析，準(zhǔn)確的判定了缺陷位置及類(lèi)型，研究表明，該檢測(cè)方法能便捷有效地檢測(cè)樁的完整性及成樁質(zhì)量。

1 檢測(cè)原理

低應(yīng)變反射波法以一維波動(dòng)方程為理論基礎(chǔ)，把樁簡(jiǎn)化為一維彈性均質(zhì)直桿、縱向振動(dòng)模型，通過(guò)樁頂瞬態(tài)激振，給予樁身縱向應(yīng)力波，應(yīng)力波在沿樁身向下傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到樁身混凝土波阻抗發(fā)生變化時(shí)，如樁身幾何尺寸(縮、擴(kuò)頸)、截面材料物理性質(zhì)變化(離析、夾泥)等，縱向應(yīng)力波在其界面就會(huì)產(chǎn)生入射、反射及透射。因此，根據(jù)入射、反射及透射波的波形、相位、振幅、頻率及波的到達(dá)時(shí)間等特征即可判定樁身混凝土的完整性、缺陷程度及位置范圍。

2 成樁完整性判定

2.1 判定依據(jù)

根據(jù)應(yīng)力波在桿縱向傳播遇波阻抗發(fā)生變化時(shí)，在其界面將發(fā)生入射、反射和透射，其波速與波阻抗之間存在下列關(guān)系[6-8]:

式中，Ψ=(ρc1Vc1A1)/(ρc2Vc2A2)，為 2 種介質(zhì)的波阻抗比;反射系數(shù);透射系數(shù);Vc、ρ、A為2種不同波阻抗發(fā)生變化處質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、密度和截面面積;Vi、Vr、Vt分別為入射、反射和透射波波速。

2.2 缺陷類(lèi)型

由式(1)可知，Ψ、T恒為正，即透射波和入射波方向始終一致。下面通過(guò)討論反射系數(shù)F的變化來(lái)討論反射波的情況，并結(jié)合地質(zhì)、施工資料及波形特征等因素來(lái)判定樁的缺陷類(lèi)型。

2.2.1 無(wú)缺陷樁

完整性良好的樁因介質(zhì)、截面均勻，無(wú)波阻抗變化，不發(fā)生波的反射，即Ψ=1，F(xiàn)=0，則有Vr=0、Vi=Vt，說(shuō)明質(zhì)點(diǎn)以不變的波速向前傳播。

2.2.2 有缺陷樁

(1)Ψ＞1，即ρc1Vc1A1＞ρc2Vc2A2，則F＜0，即反射波與入射波同相位。其中又分為以下兩種情況:

①若A1=A2，則ρc1Vc1＞ρc2Vc2，即樁身截面積不變，則應(yīng)力波由密度大、傳播速度快的介質(zhì)向密度小、傳播速度慢的介質(zhì)傳播，樁下部發(fā)生了斷樁或離析;

②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，則A1＞A2，即樁身材料性質(zhì)不變，則樁身截面發(fā)生了變化，應(yīng)力波由截面積大向截面積小的方向傳播，樁發(fā)生縮頸。

(2)Ψ＜1，即ρc1Vc1A1＜ρc2Vc2A2，則F＞0，即反射波與入射波反相位。其中又分為以下兩種情況:

①若A1=A2，則ρc1Vc1＜ρc2Vc2，即樁身截面積不變，則應(yīng)力波由軟材料向硬材料方向傳播;

②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，則A1＜A2，即樁身材料性質(zhì)不變，則樁身截面發(fā)生了變化，應(yīng)力波由截面積小向截面積大的方向傳播，樁發(fā)生擴(kuò)頸或樁底嵌固。

2.3 缺陷位置的判定

樁身缺陷位置按下列公式計(jì)算[9]

式中l(wèi)——測(cè)點(diǎn)至樁身缺陷的距離，m;

Δt——時(shí)域信號(hào)第一峰與缺陷反射波峰間的時(shí)間差，ms;

Δf'——幅頻曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差，Hz;

Vc——樁身波速，m/s，無(wú)法確定時(shí)用樁身平均速度替代。

3 檢測(cè)影響因素

采用低應(yīng)變反射波法對(duì)樁基進(jìn)行檢測(cè)，如何獲得真實(shí)的實(shí)測(cè)波形圖，成為反映樁身施工質(zhì)量的關(guān)鍵。為盡量避免干擾波的影響，在檢測(cè)中應(yīng)注意以下因素的影響。

3.1 樁頭處理

樁頭混凝土不密實(shí)，會(huì)導(dǎo)致激振信號(hào)振蕩，所采集波形與淺部缺陷波形類(lèi)似，以致形成誤判。因此，樁頂應(yīng)鑿至堅(jiān)硬、密實(shí)、新鮮混凝土面并打磨至水平。

3.2 傳感器的耦合

傳感器可用黃油、橡皮泥、石膏等材料耦合，粘結(jié)應(yīng)盡量薄，且安裝后的傳感器必須與樁頂面垂直、牢固、不得有裂縫或浮動(dòng)砂礫存在，以免影響信號(hào)的真實(shí)性。

3.3 激振點(diǎn)及傳感器位置

實(shí)踐證明，對(duì)于鋼筋混凝土灌注樁，以樁中心為激振點(diǎn)、距中心點(diǎn)2R/3處為傳感器安裝點(diǎn)，能更好的獲得反映樁的真實(shí)波形，避免因激振點(diǎn)與安裝點(diǎn)距離過(guò)近而出現(xiàn)負(fù)向反沖波，進(jìn)而掩蓋樁身淺部缺陷，給分析帶來(lái)困難。

同時(shí)，激振點(diǎn)及傳感器位置應(yīng)避開(kāi)鋼筋籠主筋的影響，避免由鋼筋籠主筋與素混凝土交界面處因波阻抗變小而誤判為斷樁或離析。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

合?？蛯K365+676.48～DK365+739.50路基段DK365+729.50～DK365+739.50采用C20鉆孔灌注樁加固，共40根，樁長(zhǎng)3.0～11.0 m，樁徑0.6 m，樁間距2.0 m，按正方形布置，樁體配8根HRB335φ16 mm鋼筋籠，其長(zhǎng)度由樁頂進(jìn)入樁體不小于5 m(樁長(zhǎng)＜5 m時(shí)，鋼筋籠長(zhǎng)度按實(shí)際樁長(zhǎng)計(jì))，單樁承載力設(shè)計(jì)值為511 kN。樁體伸入地層共2層，分別為全、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，σ0=200～300 kPa，地下水為基巖裂隙水，不發(fā)育。

4.2 檢測(cè)方案

本次樁基完整性檢測(cè)設(shè)備采用武漢巖土科研所生產(chǎn)的RSM-PRT低應(yīng)變儀，傳感器為加速傳感器，耦合劑為黃油;鑿去被檢測(cè)樁樁頂浮渣，直至露出堅(jiān)硬、密實(shí)的新鮮混凝土面，打磨至水平;激振點(diǎn)位置選擇在樁頂中心，每根樁呈“十”字形在2R/3處布置4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，確保每根樁檢測(cè)點(diǎn)所檢測(cè)的有效信號(hào)點(diǎn)數(shù)均大于3個(gè)，如圖1所示。

圖1 激振點(diǎn)及傳感器安裝點(diǎn)布置示意

4.3 數(shù)據(jù)分析

本次共檢測(cè)樁4根，并通過(guò)所配套的時(shí)域分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。對(duì)所檢測(cè)樁中具代表性波形分析如下[10，11]。

4－3號(hào)樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)7.0 m，測(cè)設(shè)波形如圖2所示。

圖2 無(wú)缺陷波形

圖2中波形曲線平滑，2L/Vc時(shí)刻前無(wú)缺陷反射波，且樁底反射波明顯，Δt=3.11 ms，Vc=4 676 m/s，由式(2)計(jì)算L=7.27 m，與設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)吻合，則樁結(jié)構(gòu)完整性良好。

3－2號(hào)樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)9.0 m，測(cè)設(shè)波形如圖3所示。

圖3 缺陷波形

由圖3可知:Vc=3 262 m/s，波形曲線在2L/Vc=5.52 ms時(shí)刻前出現(xiàn)輕微缺陷反射波，且樁底有弱反射波，Δt=5.90 ms，由式(2)計(jì)算L=9.60 m，與設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)基本吻合。缺陷波出現(xiàn)位置處傳播時(shí)間差為Δt=2.02 ms，則l=3.30 m。根據(jù)反射波同相位、樁底有弱反射波，可判定距樁頭3.30 m處存在離析或夾泥，與在此處灌注時(shí)換混凝土罐車(chē)的施工記錄相吻合。

5 結(jié)論與討論

實(shí)例應(yīng)用表明，低應(yīng)變反射波法是樁基完整性檢測(cè)最為有效的方法之一。在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中，根據(jù)縱向應(yīng)力波在不同波阻抗界面發(fā)生的入射、反射及透射波波形特征分析，可以較準(zhǔn)確的區(qū)分樁是否發(fā)生縮頸、擴(kuò)頸、斷樁、離析等缺陷，還可進(jìn)一步確定缺陷的程度及位置范圍。

由于整個(gè)檢測(cè)、判定都是基于把樁簡(jiǎn)化為一維彈性直桿的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，忽略了桿內(nèi)外的阻尼和表面摩擦力等諸多影響，所以在對(duì)樁的淺部缺陷、多重缺陷、漸變?nèi)毕菁叭毕莩潭鹊牧炕确矫嬗幸欢ǖ木窒扌?。因此，在進(jìn)行成樁完整性分析時(shí)，還需結(jié)合地質(zhì)、施工記錄等相關(guān)資料對(duì)樁基施工質(zhì)量進(jìn)行綜合判斷。

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