低應(yīng)變波形曲線分析

楊 鵬

(攀枝花天譽(yù)工程檢測有限公司,四川攀枝花617023)

近年來，隨著高層建筑的發(fā)展，樁基作為主要承重部分，其質(zhì)量的好壞倍受關(guān)注，樁基的無損檢測也獲得了廣泛應(yīng)用。低應(yīng)變反射波法是在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，它以方便快捷、成本低、方法可靠等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于樁基的完整性檢測。

1 原理

反射波法源于應(yīng)力波理論，基本原理是在樁頂進(jìn)行豎向激振，彈性波沿著樁身向下傳播。在樁身明顯存在波阻抗界面(如樁底、斷樁或嚴(yán)重離析等部位)或樁身截面積變化(如縮頸或擴(kuò)頸)部位，將產(chǎn)生反射波。經(jīng)接收、放大濾波和數(shù)據(jù)處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息。據(jù)此計(jì)算樁身波速、判斷樁身完整性和混凝土強(qiáng)度等級。

當(dāng)樁嵌于土體中，將受到樁周土的阻尼作用，樁的動(dòng)力特性滿足一維波動(dòng)方程。

其波動(dòng)方程為：

式中：c是彈性波縱波傳播速度，它是由材料常數(shù)ρ和E所決定的常值。

2 各種完整樁的波形

灌注樁樁型一般分為摩擦樁和嵌巖端承樁兩種，其在低應(yīng)變反射波法的圖示見圖1。

(a)完整樁波形 (b)摩擦樁波形 (c)嵌巖端圖1 低應(yīng)變反射波

(1)當(dāng)樁為摩擦樁時(shí)，樁身阻抗大于樁底持力層土層的阻抗，此時(shí)樁底反射波速度符號和入射波符合一致，樁底處反射波應(yīng)力的速度的幅值低于入射波,隨著樁底土質(zhì)變軟,(如樁底沉渣)樁底土的波阻抗變得更小,此時(shí)除樁底反射波速度符號和入射波符合一致外,反射波幅值也變大。當(dāng)把樁底土波阻抗小到可以忽略時(shí)，則可有：下行的壓力波變上行拉力波，入射波全反射，質(zhì)點(diǎn)速度加倍。由此顯示樁底反射波的幅值變得更大，人們可以利用其強(qiáng)弱定性確定端承樁的沉渣厚薄。

(2)當(dāng)端承樁和嵌巖端承樁的樁底巖土波阻抗逐漸增大時(shí)，反射波的幅值變小，若樁底巖土波阻抗大于樁身波阻抗時(shí)，此時(shí)樁底反射波符合與入射波反向。由此人們利用這一特征可以定性判斷樁尖打入堅(jiān)硬持力層的程度及深度。

3 缺陷樁的波形曲線

3.1 施工中造成的斷樁波形

在施工中常見有三種斷樁形式，不同的斷樁形式所反映的反射波形不同。

(1)深部斷裂：近似于摩擦樁的沉渣樁樁底反射，有高幅值的樁間反射，反射波相位與初始入射波相同，往往可見到2次或3次，但按平均波速算樁長卻遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)樁長要短，或按設(shè)計(jì)樁長算波速遠(yuǎn)大于一般樁的波速，如按常規(guī)公式2L/△t計(jì)算后得到的Vp達(dá)到4 300 m/s以上，這時(shí)就應(yīng)該考慮到可能是樁基未打到設(shè)計(jì)的深度，或者是樁在深部有斷樁現(xiàn)象(圖2(a))。

(2)樁中部斷裂：表現(xiàn)在反射波曲線的多次等周期衰減，反射曲線、反射子波的第一子波相位由于是高阻抗材料傳向低阻抗的水、空氣或充泥材料，故其相位與樁的初始入射波同相位，而后續(xù)波由于從低阻抗的軟材料進(jìn)入高阻抗的硬材料，故其相位表現(xiàn)為與初始入射波相反。我們可以從各反射波的等距峰△f值來計(jì)算斷裂處的高度(圖2(b))。

(3)樁淺部斷裂：是指樁的斷裂部位在5 m內(nèi)，這往往是由于機(jī)械開挖或開挖旁側(cè)堆土所致,它的反射波曲線表現(xiàn)形式與樁中間斷相似，但峰很密，幅更小，有時(shí)往往疊加在一個(gè)低頻包絡(luò)線上，這是由于受樁身下部的振動(dòng)或工地50 Hz低頻影響之故，此類波形的衰減也很慢(圖2(c))。

(a)深部斷樁波形 (b)中部斷樁波形 (c)淺部斷樁波形圖2 有缺陷樁的反射波形

3.2 成孔事故中造成的縮徑或擴(kuò)徑

(1)縮徑：當(dāng)樁身出現(xiàn)縮徑時(shí)，縮徑的上界面，其A1>A2，由VR和VI同號，表現(xiàn)為反射波相位與初始入射波同向，但在縮徑的下界面,由于VR和VI為反向，故后續(xù)反射波的相位與初始入射波相反。此類由于縮徑引起的反射波由于界面波阻抗差異大，故反射波形清晰、完整而直觀，如嚴(yán)重縮徑者可見到多次反射波(圖3(a))。

(2)擴(kuò)徑：擴(kuò)徑樁所引起界面反射波的特征與縮徑相反, 當(dāng)擴(kuò)徑的上界面波入射后,壓縮波表現(xiàn)為拉伸波,VR與VI相差一個(gè)負(fù)號,故第一反射波與初始入射波相反號;當(dāng)應(yīng)力波進(jìn)入擴(kuò)徑的第二界面即底界面時(shí),VR和VI同號，反射波的后續(xù)波與初始入射波表現(xiàn)為同方向。但由于擴(kuò)徑的形態(tài)各有不同,其反射波的表現(xiàn)也將有差異，在嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑時(shí),也會(huì)見到多次反射，而往往下界面的同向反射波表現(xiàn)得更清晰一些(圖3(b))。

(a)縮徑樁波形 (b)擴(kuò)徑樁波形圖3 有縮徑或擴(kuò)徑的樁的反射波形

3.3 灌注不當(dāng)造成空洞-離析樁

(1)空洞樁：對于空洞樁，由于空洞上界面是從樁身材料高波阻抗Z1傳向低波阻抗Z2的土層中，故樁間的第一反射波相位與入射波同向，但空洞的下端由于軟材料低阻抗Z1

進(jìn)入硬材料(樁體)高波阻抗Z2，故其后續(xù)波的相位與樁初始入射波反向。對于此類缺陷因空洞的范圍大小，而直接影響反射波幅值，但均可見到樁底反射(圖4(a))。

(2)離析樁：樁間出現(xiàn)離析或膠結(jié)不良的缺陷,從理論上分析與縮頸的類似,即在離析的第一界面反射波的相位與初始入射波相位相同,而在離析的底界面的反射波與初始波相位相反,但由于離析的程度差異及材料密度的不同,往往會(huì)引起應(yīng)力波在這缺陷層面和層間的復(fù)雜反射、折射、透射和散射，表現(xiàn)在層間的能量的強(qiáng)吸收，因此在反射波形上表現(xiàn)為波幅值降低，波形較亂，甚至于找不出明顯的同向和反向的子波(圖4(b))。

(a)空洞樁波形 (b)離析樁波形圖4 有空洞、離析樁的反射波形

4 結(jié)論

低應(yīng)變波反射法在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，本文是對大量工程實(shí)踐總結(jié)的結(jié)果，這些曲線可以為我們樁基檢測人員提供參考。由于樁及樁周圍巖石的關(guān)系復(fù)雜，在實(shí)際檢測過程不可盲目照搬，還應(yīng)根據(jù)不同的情況進(jìn)行判斷。

[1] JGJ 106-2003建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S]

[2] 劉金礪.樁基設(shè)計(jì)施工與檢測[M]. 中國建材工業(yè)出版社，2001

[3] DBJ 08-218-1996鉆孔灌注樁動(dòng)力測試技術(shù)規(guī)程[S]