探討低應(yīng)變反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）完整性檢測(cè)方法

楊明

摘要：低應(yīng)變反射波法用于檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）還處于探索應(yīng)用階段，試就其可行性以及應(yīng)用中的不確定性、具體操作步驟作以探討。

關(guān)鍵詞：低應(yīng)變反射波；檢測(cè)；CFG樁；完整性；可行性

中圖分類號(hào)：TU473.1*2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2013）07-0168-02

1.前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與工程建設(shè)的快速發(fā)展，基樁檢測(cè)作為隱蔽工程驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)，對(duì)保證整個(gè)工程建設(shè)的安全穩(wěn)定起著十分重要的作用。在各種檢測(cè)方法中，反射波法目前應(yīng)用最廣泛、使用最便捷，理論與實(shí)踐發(fā)展也比較成熟，有比較先進(jìn)的儀器設(shè)備及應(yīng)用分析軟件，事實(shí)證明它是一種準(zhǔn)確可靠、經(jīng)濟(jì)快捷的檢測(cè)手段。但是總體而言，基樁檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展時(shí)間還不長(zhǎng)，許多測(cè)試方法不僅理論上不夠完善，實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題。反射波法雖然發(fā)展較快，應(yīng)用廣泛，但同樣存在問題和缺點(diǎn)（局限性），同時(shí)因其簡(jiǎn)便快捷、成本低廉，目前有忽視其缺點(diǎn)和適用范圍而走向泛濫的趨勢(shì)。

近年來，隨著水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）在軟土地區(qū)的廣泛應(yīng)用，工程上迫切需要一種能夠?qū)Υ朔N樁樁身質(zhì)量進(jìn)行快速有效地分析與評(píng)估的檢測(cè)手段。但是長(zhǎng)期以來，此種樁的樁身質(zhì)量的檢測(cè)往往只能依賴于靜載荷試驗(yàn)。這種方法盡管直接可靠，但由于其時(shí)間長(zhǎng)、成本高，所以很難對(duì)大批量的水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）進(jìn)行綜合質(zhì)量評(píng)估，其結(jié)果也就難免以偏概全。

因此，能否將應(yīng)用于混凝土樁身質(zhì)量評(píng)價(jià)的反射波法成功的應(yīng)用于水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁），已經(jīng)成為樁基動(dòng)測(cè)界中一個(gè)迫切需要研究及解決的課題。在國(guó)內(nèi)，到目前為止，有許多學(xué)者與同行進(jìn)行過相關(guān)的研究，但是由于所檢測(cè)的對(duì)象具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性（地質(zhì)環(huán)境差異、樁身材料的非嚴(yán)格均勻性、樁周介質(zhì)阻抗與樁身介質(zhì)阻抗差異小、施工工藝的差異、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)條件的差異），其準(zhǔn)確性與可靠性還有待進(jìn)一步提高與完善。

2.反射波法的理論基礎(chǔ)與可行性分析

2.1基本原理

基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)反射波法的基本原理是在樁身頂部進(jìn)行豎向激振，彈性波沿著樁身向下傳播，當(dāng)樁身存在明顯波阻抗差異的界面（如樁底、斷樁和嚴(yán)重離析等部位）或樁身截面面積變化（如縮徑或擴(kuò)徑）部位，將產(chǎn)生反射波。經(jīng)接受放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可識(shí)別來自樁身不同部位的反射信息，據(jù)此計(jì)算樁身波速，以判斷樁身完整性及估計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)。還可根據(jù)視波速和樁底反射波到達(dá)時(shí)間對(duì)樁的實(shí)際長(zhǎng)度加以核對(duì)。

2.2波形分析

由于反射波形在同一場(chǎng)地的完整樁上具有極為良好的相似性，可以通過對(duì)在時(shí)間域內(nèi)樁基的波形檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)合相關(guān)樁基施工記錄、地質(zhì)情況、波形特征等數(shù)據(jù)，選擇出本區(qū)域內(nèi)最為良好的波形作為標(biāo)準(zhǔn)波形，進(jìn)而通過其他樁波形與之對(duì)比得出缺陷性質(zhì)。在頻率域內(nèi)可以通過對(duì)樁基檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，同時(shí)通過缺陷樁的頻譜特征結(jié)合相應(yīng)的時(shí)域波形特征能夠進(jìn)一步確定缺陷類型和缺陷部位。L=△T×V/2其中：

L'為缺陷距樁頂距離，△T為缺陷峰值與入射波峰值的時(shí)間差，V為此syf樁的波速。

完整樁（圖1）：

樁底反射和入射同相位，中間無其他雜波；頻譜圖（圖2）中，譜峰排列規(guī)則，相鄰峰值間隔相等。離析、夾泥（圖3）：開始反射波與入射波同相位，缺陷部位入射波與反射波反相位；反射脈沖寬度比入射脈沖寬度大。可見樁底反射波。

2.3低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁體完整性的可行性分析

反射波法是建立在一維波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上的。假設(shè)樁為質(zhì)地均勻、各向同性的一維線彈性體（樁的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑，且入射波波長(zhǎng)入大于樁的直徑），當(dāng)用手錘在樁頂敲擊時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力波在樁身傳播滿足一維波動(dòng)方程，對(duì)于水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的假設(shè)設(shè)定如下：（1）水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）是否可視為一維桿件。（2）水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）身材料是否可視為彈性材料。（3）水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）樁身波阻抗是否可以被識(shí)別。

從目前工程上的應(yīng)用來看，水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）樁徑多為50cm，樁長(zhǎng)多為8m以上，長(zhǎng)徑比一般在16以上，符合樁長(zhǎng)遠(yuǎn)大于樁徑的理論條件，樁體可視為一維桿件。

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）是由水泥與粉煤灰材料充分?jǐn)嚢栌不?，在受力初期，?yīng)力與應(yīng)變關(guān)系基本上符合虎克定律。可視為彈性材料。

與混凝土灌注樁相比，盡管水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）樁身波阻抗明顯要小，但目前大量的工程試驗(yàn)資料證明，水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）樁身抗壓強(qiáng)度可達(dá)400千帕以上（425#水泥，齡期30d），其抗壓強(qiáng)度也大于樁周土強(qiáng)度，基本符合一維波動(dòng)方程的理論假設(shè)。對(duì)實(shí)際工程樁的檢測(cè)也表明，一維壓縮波在水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）樁身以內(nèi)的入射、透射、反射特征清晰。

基于以上分析，反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的樁身質(zhì)量是可行的。

從該種方法的實(shí)際應(yīng)用與可靠性分析來看：

與檢測(cè)混凝土灌注樁相比，反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）有著其自身的特殊性。

首先是檢測(cè)時(shí)確定檢測(cè)齡期的問題。統(tǒng)計(jì)資料表明，到28d齡期時(shí)，水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60-70%左右，到90d齡期時(shí)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從檢測(cè)效果的角度出發(fā)，齡期越長(zhǎng)，強(qiáng)度越高，檢測(cè)效果越好。如果過早地進(jìn)行檢測(cè)，水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）尚未完全硬化，樁的波阻抗與樁周土的波阻抗較為接近，則不滿足一維波動(dòng)方程的理論假設(shè)?；蛴捎阪R擊時(shí)，因?yàn)闃渡碚w強(qiáng)度不高，形成波形的低頻震蕩，導(dǎo)致無法進(jìn)行有效的分析與判斷。因此建議水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）最佳的檢測(cè)齡期為28d以后。

其次檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）時(shí)，彈性波在樁內(nèi)部傳遞時(shí)，介質(zhì)散射引起的衰減較小，而介質(zhì)吸收產(chǎn)生的衰減較大。為了取得良好的檢測(cè)效果，應(yīng)盡可能破除樁頂松散層，打磨各測(cè)點(diǎn)，并選擇合適的振源，一般尼龍錘具有較好的指向性和穿透力。為減少?gòu)椥圆ǖ膿p失，應(yīng)采用如黃油、凡士林一類的膠狀或漿狀物質(zhì)作耦合劑。

最后，選擇合理的波速成為一次成功檢測(cè)的關(guān)鍵，反射波測(cè)出的實(shí)際有效樁長(zhǎng)：

L=tc/2

式中：t-彈性波由樁頂傳至樁底、經(jīng)反射后傳至樁頂?shù)臅r(shí)間（由儀器測(cè)定）；

c-彈性波在樁身內(nèi)傳播的波速，m/s。

因此，波速的選擇直接影響到實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)與缺陷位置判斷的準(zhǔn)確性。波速選擇的越合理，越具代表性，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)的誤差就越小，反射波法檢測(cè)的可靠性就越高。

經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，只要選擇合理，處理得當(dāng)，在滿足一定的條件下，完全可以利用反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的樁身完整性。

3.反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）不確定因素與局限性

盡管反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）有著快速、可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍有其一定的局限性。

首先，經(jīng)驗(yàn)波速隨著齡期、強(qiáng)度、水泥含量、粉煤灰含量、土樣含水量變化存在著明顯的不確定性，造成經(jīng)驗(yàn)波速范圍波動(dòng)過大，直接造成檢測(cè)結(jié)果誤差增大。而為取得有代表性的經(jīng)驗(yàn)波速，在工程樁同期打試樁，既不太可能也不太實(shí)際。所以這還得通過今后不斷的積累和完善，建立起一套完整的經(jīng)驗(yàn)波速與各影響因素的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，才能真正使反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）走向成熟應(yīng)用。

其次，反射波法應(yīng)用的對(duì)象應(yīng)是一彈性的均勻體，而目前落后的施工工藝造成的樁身不均勻性，也制約著反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的應(yīng)用。有時(shí)因攪拌不充分造成的水泥層狀、片狀分布將會(huì)令反射波法很難甚至無法分析。

4.反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的檢測(cè)步驟

在檢測(cè)中使用RS-W（P）型基樁動(dòng)測(cè)儀，該儀器采用的加速度型傳感器，橫向靈敏度低，只有錘擊到一個(gè)有效脈沖時(shí)，傳感器才會(huì)記錄一個(gè)信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)接收計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存。

錘擊力量太大或太小都不產(chǎn)生能被記錄的脈沖。激振產(chǎn)生的波動(dòng)模式單一，只含縱波，可以得到清晰的底部反射。具體的檢測(cè)步驟如下：（1）清理整平樁頭；（2）調(diào)試儀器，選擇適當(dāng)參數(shù)；（3）將加速度傳感器垂直安放在樁頭的平整部位；（4）用小棰在樁頭選擇適當(dāng)?shù)哪芰考ふ?；?）選取較為理想的波形曲線并存儲(chǔ)；（6）將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，對(duì)記錄曲線進(jìn)行分析、計(jì)算，并評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量。

5.結(jié)語(yǔ)

總之，應(yīng)用基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法檢測(cè)樁基礎(chǔ)的成樁質(zhì)量簡(jiǎn)便、快捷，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成大量而且復(fù)雜的的工作，是微波電子檢測(cè)技術(shù)與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在土建工程實(shí)際應(yīng)用取得良好效果的又一典范。值得在日后工程大力推廣應(yīng)用。同時(shí)，反射波法檢測(cè)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的樁身質(zhì)量目前還處于發(fā)展階段。反射波法在一定條件下可以對(duì)水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，但還需綜合采用其它一些方法如靜載荷試驗(yàn)等對(duì)樁身進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。