低應變反射波法在鉆孔灌注樁檢測中的應用

邱奕超，郭德順，鐘文衡

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.廣東省工程勘察院實驗與物探測試中心，廣東 廣州 510510）

0 前言

樁基屬地下隱藏工程，無法采用簡單、直觀的方法對其質量進行檢測，樁基常會出現(xiàn)縮頸、斷裂、夾泥、沉渣，若受地下水等因素影響，還會表現(xiàn)為混凝土密實性差、或骨料、水泥砂漿相對集中等諸多質量問題，因此在實際的檢測過程中應格外小心。目前低應變反射波法被廣泛的用于工程基樁的樁身完整性檢測，它是基于應力波理論通過研究樁土體系的動態(tài)響應，分析實測波形的特征來判斷樁身完整性類別、樁身缺陷位置及缺陷程度、嵌巖樁樁端嵌固質量情況。設備輕便，方法快速、可靠、經(jīng)濟，對場地的要求小，可對工程樁進行快速普查[1]。

1 基本原理

低應變反射波法是假設樁為等截面的細長桿，四周無側助力作用，頂端受激振力或其他振動形式的沖擊后，沖擊能量都以應力波的形式沿樁身傳遞，傳遞過程是以一維波動方程為數(shù)學模型[2]。且桿件截面變形仍然保持平面，桿件變形與受力成正比，由振動理論基礎得知，樁體縱向振動的微分方程為：

其中，u為樁身在x方向上的位移，C為應力波沿樁身的傳播速度，C=，E為材料彈性模量，ρ為介質密度。

其樁身波阻抗，縱波波速及缺陷位置的計算表達式為：

基中Z為樁身波阻抗，S為樁身橫截面面積，L為樁長，t為樁底反射波雙程旅行時間，L'為樁身缺陷位置，t'為缺陷處反射波雙程旅行時間。

值得注意的是，波速由實測值決定，通常實測的波速是樁的平均波速，缺陷位置的波速一般大于平均波速，因此，確定缺陷位置時要適當考慮這一因素的影響。設樁在某截面處其阻抗發(fā)生變化，變化前后的阻抗分別為Z1和Z2，如下式。

其中，ur為入射波位移，u0為反射波位移，a=Z2/Z1。

由式（5）可知，在t=2L/C時間內，當樁身阻抗由大變小時，a＜1，入射波與反射波同相。當樁身阻抗由小變大時，a＞1，入射波與反射波反相。當樁身阻抗無變化時，a=1，反射波為零，即不存在反射現(xiàn)象。實測中，要根據(jù)實測樁身阻抗波形曲線變化情況，再結合式（2）判斷樁身的缺陷性質[3]。

2 檢測實例

某工地工程樁為φ800～φ1500鉆孔灌注樁，樁端持力層為中風化花崗巖，入巖為1D，設計樁身混凝土強度等級為C25。按規(guī)范要求對該工地43根樁進行低應變反射波法檢測，檢測時樁砼齡期已達到28天，經(jīng)對動測波形分析后，發(fā)現(xiàn)正常樁樁端反射不明顯（見圖1），并有一定數(shù)量的樁，均存在不同程度不同類型的缺陷，經(jīng)建設方同意，決定對幾根初判為有缺陷的樁進行鉆芯法檢測核驗。

圖1 1#樁實測曲線圖Fig.1 Measured curve of 1#pile

各類缺陷或樁底產(chǎn)生的反射波，究其原因是由于樁的波阻抗，樁身截面積S或介質密度ρ產(chǎn)生變化引起的。

（1）樁底持力層軟弱基巖引起缺陷，其地質性狀未達設計要求

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)3#、4#、5#樁，其樁端反射為單一同相反射，且其樁端反射波幅相對較大,尤其是5#樁（見圖2），初步推斷樁端嵌巖質量有問題。

抽芯結果顯示：3#樁抽芯檢測樁長21.76 m。4#樁抽芯檢測樁長22.00 m，樁底為半巖半土狀軟弱的強風化花崗巖。5#樁抽芯檢測樁長21.90 m，樁底為土柱狀軟弱的全風化花崗巖。

由于樁底持力層強度變軟，材質ρ變小，波速c變小，則波阻抗明顯變小，產(chǎn)生同相反射。且樁底持力層巖性強度越小，樁底反射應相對明顯，反射波幅應相對明顯。

圖2 3#、4#、5# 樁實測曲線圖Fig.2 Measured curves of 3#,4#,5#piles

（2）樁底混凝土松散引起缺陷

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)16#樁，其樁端反射為單一同相反射，且其樁端反射波幅相對較大，初步推斷樁端嵌巖質量有問題（圖3）。抽芯結果顯示：16#樁樁底（24.45～24.67 m）有22cm一段砼芯只見散塊狀粗骨料，未見水泥砂漿膠結。由于樁底松散，波速c變小，則波阻抗變小，產(chǎn)生同相反射。

（3）樁底沉渣引起缺陷

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)15#、19#、22#、32#、33#樁，其樁端反射為單一同相反射，且其樁端反射波幅相對較大，初步推斷樁端嵌巖質量有問題 (圖4）。

圖3 16#樁實測曲線圖Fig.3 Measured curve of 16#pile

圖4 15#、19#、22#、32#、33# 樁實測曲線圖Fig.4 Measured curves of 5#,19#,22#,32#,33#piles

抽芯結果顯示：15#樁抽芯檢測樁長25.60m，見沉渣3cm。19#樁抽芯檢測樁長23.91m，見沉渣5cm。22#樁抽芯檢測樁長24.46m，見沉渣4cm。32#樁抽芯檢測樁長23.10m，見沉渣4cm。33#樁抽芯檢測樁長21.91m，見沉渣5cm。

樁底沉渣過厚，相當于材質ρ變小，波速c變小，則波阻抗變小，會產(chǎn)生同相反射。且樁底沉渣越厚，樁底反射應相對明顯，反射波幅應相對明顯。

（4）樁身夾泥引起缺陷。

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)10#樁，除了其樁端有一同相反射外，持力層基巖軟弱引起，且樁身中段亦有一相對較弱的同相反射，初步推斷樁中段應有質量問題（圖5）。抽芯結果顯示：10#樁在13.05～14.50m處有1.45m一段砼膠結較差且夾泥。樁身夾泥，相當于材質ρ變小，波速c變小，則波阻抗變小，會產(chǎn)生同相反射。

圖5 10#樁實測曲線圖Fig.5 Measured curve of 10#pile

3 結語

對于嵌巖樁，當樁端反射信號為單一反射波且與錘擊脈沖信號同相時，應結合巖土工程勘察和設計等有關資料，以及結合樁端同相反射波幅的相對高低來綜合判斷嵌巖質量，必要時應采取其它合適方法（如鉆芯法）進行核驗，以確保樁基礎工程的安全性[4]。

樁身夾泥缺陷，表現(xiàn)為樁身反射信號波幅雖不高且較平坦，但波幅較寬，這時應引起注意是否存在夾泥等較嚴重的缺陷。

鉆孔灌注樁常會出現(xiàn)縮頸、斷裂、夾泥、沉渣、砼膠結差骨料松散等諸多質量問題，若受地下水等因素影響，還會表現(xiàn)為混凝土密實性差、或骨料、水泥砂漿相對集中等現(xiàn)象， 因此在實際的檢測過程中應格外小心，充分利用各種資料進行綜合判斷。

[1]涂偉榮，譚平，周福霖，等.房屋建筑抗震易損性分析方法研究綜述[J].華南地震，2011，31（1）：47-54.

[2]王輝鵬.反射波在基樁完整性檢測中的應用[J].工業(yè)建筑，2006，36：817-818.

[3]張冬美.低應變反射波法在樁基檢測中的應用[J].山西建筑，2010，36（6）：118-119.

[4]李五庫.反射波法在樁基完整性檢測中的應用[J].山西建筑，2007，33（35)：143.