低應(yīng)變法在某山區(qū)鐵路基樁檢測(cè)中的應(yīng)用分析

秦成超 （中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

0 前 言

隨著我國(guó)高速鐵路、客運(yùn)專(zhuān)線的興建，橋梁作為其土建工程的重要組成部分而被廣泛使用。樁基作為橋梁的主要承重部位，又屬于隱蔽工程，其質(zhì)量好壞就變得尤為重要。低應(yīng)變反射波法因其操作簡(jiǎn)便、速度快、可靠度高的明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的研究和應(yīng)用，在工程界得到了廣泛認(rèn)可，對(duì)保障樁基工程質(zhì)量起到了積極作用。

山區(qū)鐵路為滿足高速鐵路快速、舒適的要求，受地形起伏限制，橋梁被更多的應(yīng)用于工程建設(shè)。本文結(jié)合某山區(qū)新建鐵路基樁檢測(cè)的大量工程實(shí)例，對(duì)基樁檢測(cè)過(guò)程中的常見(jiàn)缺陷進(jìn)行分析和探討。

1 低應(yīng)變反射波法檢測(cè)原理

低應(yīng)變反射波法是用力棒或手錘敲擊樁頭產(chǎn)生彈性縱波，彈性波沿樁身向下傳播，遇到波阻抗界面時(shí)產(chǎn)生反射和透射。透射波繼續(xù)向下傳播，反射波到達(dá)樁頂時(shí)，引起樁頂質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)樁頂質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)，來(lái)分析判定樁身質(zhì)量。圖1為低應(yīng)變反射波法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖。

2.1 樁身缺陷判定

樁身波阻抗變化會(huì)在時(shí)域上上產(chǎn)生反射信號(hào)，當(dāng)反射信號(hào)與入射信號(hào)相位相同時(shí)，表明樁身波阻抗變小，缺陷性質(zhì)為斷裂、縮頸、離析或預(yù)制樁接樁不良等；當(dāng)反射信號(hào)與入射信號(hào)相位相反時(shí)，表明樁身波阻抗變大，為擴(kuò)徑或嵌巖樁的入巖位置。樁身缺陷的位置可按下式計(jì)算。

式中：h 為樁身缺陷至樁頂?shù)奈恢茫籧m為完整樁波速平均值；△th為時(shí)域波形圖中直達(dá)波與缺陷反射波間的時(shí)差；△f'為頻域圖上缺陷的頻差。

缺陷樁典型時(shí)域曲線如圖2所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為ms，縱坐標(biāo)為振動(dòng)幅值，單位為mm/s。H 為樁長(zhǎng)，cm為應(yīng)力波波速。

2 某山區(qū)鐵路工程實(shí)例分析

2.1 實(shí)例一，淺部斷樁對(duì)波形信號(hào)的影響

某特大橋24-10#樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)26.5m，設(shè)計(jì)樁徑1.0m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，挖孔灌注樁。低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果表明，該樁在約2m處有一明顯同向反射，且反射信號(hào)幅值更大，根據(jù)該波形曲線特征，初步判定為淺部缺陷。實(shí)測(cè)低應(yīng)變時(shí)域曲線如圖3。

考慮到此種波形或?yàn)槠茦稌r(shí)使用方法不當(dāng)，對(duì)樁頭造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，引起樁身淺部混凝土開(kāi)裂所致。慎重起見(jiàn)，對(duì)該樁進(jìn)行了復(fù)測(cè)，波形與初測(cè)一致，且并無(wú)空鼓聲出現(xiàn)，排除了破樁頭引起的淺部裂縫因素。對(duì)其采取開(kāi)挖驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該樁在2m左右斷樁，因缺陷位置較淺，對(duì)其做了接樁處理。

2.2 實(shí)例二，大護(hù)筒對(duì)波形信號(hào)的影響

某特大橋59-4#樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)19.0m，設(shè)計(jì)樁徑1.0m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，挖孔灌注樁。其實(shí)測(cè)低應(yīng)變時(shí)域曲線如圖4。

該波形曲線表現(xiàn)為首波波谷后伴有一明顯與首波同向反射。由波形曲線和應(yīng)力波傳播特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)樁頭普遍較大的情況，初步判斷該同向反射的出現(xiàn)，是因?yàn)樯喜繕稄酱笥谠O(shè)計(jì)樁徑，而下部仍為設(shè)計(jì)樁徑，造成樁身擴(kuò)到縮的變化，即現(xiàn)場(chǎng)常說(shuō)的“大樁頭”，從而出現(xiàn)了波阻抗降低（縮而不擴(kuò)）的波形。此種樁型的出現(xiàn)，多為鉆孔過(guò)程中防止塌孔發(fā)生，埋設(shè)大護(hù)筒所致。經(jīng)了解施工概況及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)打樁時(shí)護(hù)筒埋設(shè)至該樁樁頭標(biāo)高下1.5m左右，護(hù)筒內(nèi)徑比設(shè)計(jì)樁徑大50cm。

2.3 實(shí)例三，樁周地質(zhì)隨深度變化對(duì)波形的影響

某特大橋38號(hào)墩12根樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22.5m，設(shè)計(jì)樁徑1.25m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，摩擦樁。其38-4#樁實(shí)測(cè)低應(yīng)變時(shí)域曲線如圖5。

在對(duì)該墩臺(tái)12根樁的分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在4.5m左右有一共性的反射信號(hào)，均表現(xiàn)為與首波反向。經(jīng)查詢?cè)摱张_(tái)的施工鉆孔樁地質(zhì)柱狀圖，發(fā)現(xiàn)在4.5m處樁周土由新黃土進(jìn)入細(xì)圓礫土。其至上而下的地質(zhì)分布為：0m～4.5m 為新黃土，4.5m～14.2m 為 細(xì) 圓 礫 土，14.2m～15.7m 為 粉 質(zhì) 粘 土，15.7m～22.95m為凝灰質(zhì)砂巖。

反射波法假定桿件為一均質(zhì)一維彈性桿件，且不考慮樁周地質(zhì)變化對(duì)應(yīng)力波沿樁身傳播的影響。而實(shí)際檢測(cè)中，樁周地質(zhì)變化對(duì)低應(yīng)變反射信號(hào)的影響確實(shí)存在。該樁設(shè)計(jì)為摩擦樁，樁周土與樁身結(jié)合緊密，敲擊產(chǎn)生的應(yīng)力波除沿樁身向下傳播外，還會(huì)沿樁周土向下傳播，當(dāng)樁周地質(zhì)發(fā)生變化、且波阻抗差異明顯時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)力波反射。因細(xì)圓礫土波阻抗大于新黃土，在彈性波向下傳播的過(guò)程中，發(fā)生了反射，并表現(xiàn)在波形曲線上。因反射信號(hào)所在位置較淺，為慎重起見(jiàn)，對(duì)該樁進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證，驗(yàn)證表明樁身外觀良好，4.5m處無(wú)擴(kuò)徑現(xiàn)象，反射信號(hào)確為樁周土發(fā)生變化導(dǎo)致。

2.4 實(shí)例四，樁身擴(kuò)徑對(duì)波形的影響

某特大橋8-2#樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)19.0m，設(shè)計(jì)樁徑1.0m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，挖孔灌注樁。其實(shí)測(cè)低應(yīng)變時(shí)域曲線如圖6和圖7。

對(duì)圖6中高頻低應(yīng)變曲線分析可知，該樁在約2m處出現(xiàn)與首波反向反射，2.7m處出現(xiàn)同向反射，且有明顯的二次反射。圖7表明波形低頻振蕩，衰減較快，且該樁存在灌注超方現(xiàn)象。綜合諸因，初步判定為擴(kuò)徑后縮回。為防止造成誤判，對(duì)該樁進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證，開(kāi)挖照片見(jiàn)圖8。

圖8表明該樁在1.5m～2.0m處縮頸露筋，2.0m～2.7m逐漸擴(kuò)徑并縮回。因缺陷位置較淺，施工方在約3m處截?cái)?，?duì)該樁做了接樁處理。

鉆孔灌注樁露筋病害是成樁質(zhì)量問(wèn)題中的一種嚴(yán)重缺陷，它極大地影響著樁基的使用安全及壽命，必須進(jìn)行處理。避免露筋病害的產(chǎn)生，應(yīng)從施工過(guò)程中加強(qiáng)管理，對(duì)每道工序、每個(gè)細(xì)節(jié)有針對(duì)性地制定行之有效的具體技術(shù)措施，預(yù)防為主，防治結(jié)合。

而出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象，多因施工地層影響或施工工藝不良。在地下水呈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、土質(zhì)松散地層處或鉆錐擺動(dòng)過(guò)大時(shí)，易于出現(xiàn)擴(kuò)孔。樁身擴(kuò)徑一般認(rèn)定為有利缺陷，但會(huì)消耗大量混凝土，造成混凝土的浪費(fèi)。

3 討 論

①當(dāng)基樁淺部存在缺陷時(shí)，由應(yīng)力波傳播特點(diǎn)可知，波形曲線會(huì)出現(xiàn)不同程度的疊加。若樁身下部仍有缺陷，疊加的波形就有可能影響下部缺陷波形的判別，此時(shí)切勿麻痹大意，建議在接樁前對(duì)下部樁身進(jìn)行檢測(cè)，在下部樁身完整的情況下進(jìn)行接樁處理。接樁后需進(jìn)行復(fù)測(cè)，以保證樁身質(zhì)量。

②由于低應(yīng)變檢測(cè)存在檢測(cè)盲區(qū)，當(dāng)缺陷位置較淺時(shí)，波形曲線往往會(huì)出現(xiàn)低頻振蕩。因樁身縮頸、夾泥、離析、斷裂等均為波阻抗降低，其波形反映大體一致，此時(shí)靠低應(yīng)變檢測(cè)已無(wú)法確定缺陷類(lèi)型，可根據(jù)實(shí)際情況，輔以開(kāi)挖驗(yàn)證或鉆芯取樣來(lái)確定缺陷類(lèi)型及位置。

③塌孔、大護(hù)筒埋設(shè)、破樁工藝不當(dāng)?shù)纫蛩?，可能?dǎo)致低應(yīng)變檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)影響波形曲線判定的反射信號(hào)。為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在檢測(cè)工作開(kāi)始之前，要收集被檢測(cè)樁基的工程勘察資料、設(shè)計(jì)圖紙、施工工藝等，并詢問(wèn)施工過(guò)程中是否有塌孔、混凝土灌注是否超方等特殊狀況發(fā)生。

④樁周地質(zhì)變化對(duì)波形曲線的影響一般較小，但不可忽視。樁周土摩阻力可引起應(yīng)力波能量衰減，使檢測(cè)時(shí)有效深度變短，可能出現(xiàn)檢測(cè)不到樁底反射的情況。在波形分析時(shí)，樁周土摩阻力會(huì)影響缺陷反射波的幅值，土阻力反射波與樁身缺陷反射波易混淆，容易造成誤判，需結(jié)合地質(zhì)情況仔細(xì)分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

低應(yīng)變反射波法測(cè)試結(jié)果的分析判斷，要依據(jù)波形的變化特征，結(jié)合樁的類(lèi)型、施工情況及地質(zhì)資料等進(jìn)行綜合分析，必要時(shí)采取其他檢測(cè)手段進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)被檢測(cè)基樁的樁身完整性做出準(zhǔn)確可靠的判斷，避免錯(cuò)判、誤判、漏判造成工程質(zhì)量事故，遺留安全隱患。

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