低應(yīng)變法檢測嵌巖灌注樁樁端性狀的實(shí)例分析

張雄水

(1.福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

引 言

嵌巖灌注樁以其經(jīng)濟(jì)性、高效性廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)中。國內(nèi)對于其承載特性及荷載傳遞機(jī)制都已有所研究，特別是對于嵌巖段側(cè)阻力、極限端阻力發(fā)揮機(jī)理和嵌巖樁的破壞特性。對于高承載力的嵌巖樁，往往不允許任何一根樁承載力失效。在外荷載作用下，嵌巖樁承擔(dān)的大部分荷載由樁端傳遞給下覆基巖，其余部分由樁側(cè)分擔(dān)，并傳遞給樁周圍巖體[1～4]。在樁身強(qiáng)度滿足要求的情況下，樁端阻力的發(fā)揮取決于樁端性狀，包括樁端混凝土質(zhì)量、樁端沉渣厚度及樁端持力層性狀，顯然樁端性狀對于高承載力嵌巖樁起著至關(guān)重要的作用，如何高效準(zhǔn)確辨別樁端性狀成了樁基檢測的首要任務(wù)。

在實(shí)際的嵌巖灌注樁低應(yīng)變檢測工程中，應(yīng)力波在傳遞至樁端的過程中，在阻抗或樁周土阻力變化界面將產(chǎn)生多次反射及透射，反射波的相互疊加使樁端附近位置的實(shí)測波形變得復(fù)雜，難以分析判斷。單純從樁端同向或反向反射來判斷嵌巖樁樁端性狀可能造成誤判。規(guī)范[5]中對于嵌巖樁，樁底時(shí)域反射信號為單一反射波且與錘擊脈沖信號同向時(shí)，應(yīng)采取鉆芯法、靜載試驗(yàn)或高應(yīng)變法核驗(yàn)樁端嵌巖情況。以下通過對多個(gè)嵌巖灌注樁低應(yīng)變檢測進(jìn)行實(shí)例分析，根據(jù)不同曲線性狀，分別對低應(yīng)變法判斷的嵌巖樁樁端性狀進(jìn)行核驗(yàn)，為正確評價(jià)樁基質(zhì)量提供實(shí)例補(bǔ)充。

1 低應(yīng)變法的檢測原理分析

低應(yīng)變反射波法檢測是以一維波動(dòng)方程為理論基礎(chǔ)。把樁當(dāng)為連續(xù)均質(zhì)的彈性桿，研究樁頂在動(dòng)態(tài)任用下，彈性桿的縱向波動(dòng)，以一維波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的樁土體系動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

在樁頂施加激振力后，產(chǎn)生的應(yīng)力波沿樁身以波速C向下傳播，應(yīng)力波通過樁阻抗Z(Z=ρCA，ρ為樁的質(zhì)量密度，C為波在樁身內(nèi)的傳播速度，A為樁的橫截面積)變化時(shí)，一部分應(yīng)力波產(chǎn)生反射向上傳播，另一部分應(yīng)力波產(chǎn)生透射向下傳播。Z1，Z2表示上下部分樁的波阻抗，V為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，腳碼I、R、T表示入射、反射、透射。

在樁端混凝土與樁端的界面上:

(1)當(dāng)Z1＜Z2時(shí)，說明波阻抗變大，反射波與入射波反向。在嵌巖樁低應(yīng)變的曲線中，反映為樁端位置反向反射明顯，表明樁端嵌入良好的基巖中。

(2)當(dāng)Z1=Z2時(shí)，入射波完全透射，無反射波。在嵌巖樁低應(yīng)變的曲線中，反映為無樁底反射。

(3)當(dāng)Z1＞Z2時(shí)，說明波阻抗變大，反射波與入射波反向。在嵌巖樁低應(yīng)變的曲線中，反映為樁端位置同向反射明顯，表明樁端嵌巖性狀較差。

2 工程實(shí)例及分析

2.1 實(shí)例1

福州某商品房小區(qū)2#樓，框剪結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式采用沖(鉆)孔灌注樁，設(shè)計(jì)要求樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖。樁身砼強(qiáng)度為 C35，場地土層簡況自上而下為:①中細(xì)砂，層厚約 9.5m;②淤泥夾砂，層厚約4.3m;③殘積砂質(zhì)粘性土，層厚約2.6 m;④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，層厚約5.6 m;⑤中風(fēng)化花崗巖，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值91.34 MPa。

對39#樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測，實(shí)測曲線如(圖1)，直觀地從實(shí)測曲線上可以看出L/C(約10m附近)有類似擴(kuò)徑的反射，2L/C位置附近同向反射明顯，幅值一般。文獻(xiàn)[5]提出的樁長L/2處阻抗增大會(huì)引起的二次反射的疊加而使得樁端位置反射波正向幅值變得很大。考慮過二次反射的疊加，判斷樁端嵌巖性狀尚可。對該樁進(jìn)行鉆芯法試驗(yàn)核驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(圖2)表明樁底無沉渣，持力層為中風(fēng)化巖，符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 39#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

經(jīng)比較，該樁附近還有不少樁的實(shí)測曲線都有出現(xiàn)類似性狀，而106#樁樁端反射最為明顯，實(shí)測曲線如(圖3)。

圖2 39#樁鉆芯法芯樣照片

圖3 106#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

可以看出L/C(約10m附近)有類似阻抗增大的反射，2L/C位置附近同向反射明顯，但同向反射的脈沖較寬且幅值較高。判斷即使考慮過二次反射的疊加，樁端性狀也有可能存在嵌巖不良的情況。建議進(jìn)行鉆芯法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在樁端位置存在厚度為38cm的沉渣，樁端持力層為中風(fēng)化巖，見(圖4)。顯然樁端脈沖寬且幅值較高的反射，是由二次反射的疊加和樁端過厚的沉渣共同影響造成的。

圖4 106#樁鉆芯法芯樣照片

對91#樁進(jìn)行低應(yīng)變法檢測，根據(jù)該場地低應(yīng)變法檢測及與鉆芯法試驗(yàn)的比對，該工程在同樣的砼強(qiáng)度條件下，樁身混凝土的波速在3700～3800m/s范圍內(nèi)。根據(jù)設(shè)定的波速及建設(shè)方提供的樁長進(jìn)行測試，實(shí)測曲線見(圖5-a)，從實(shí)測曲線可以看出在設(shè)定的波速條件下，2L/C位置附近同向反射明顯，單從曲線可認(rèn)為樁端嵌巖情況不良，但在2L/C位置后有一類似入巖的反射。與其他樁進(jìn)行比對筆者認(rèn)為后一反射為樁端入巖反射，在確認(rèn)過施工樁長后調(diào)整了波速，見(圖5-b)，調(diào)整后波速為3000m/s比場地的平均波速3700m/s，低了18.9%。初步判斷可能由于樁身混凝土質(zhì)量較差，導(dǎo)致了平均波速的下降。

圖5 91#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

對91#樁進(jìn)行鉆芯法核驗(yàn)，見(圖6)，試驗(yàn)表明:樁頂下0.0～1.5m，14.0～17.0m，22.0～24.0m 均存在不同程度的混凝土離析及較連續(xù)溝槽，而在樁端附近混凝土離析更為嚴(yán)重28.2～29.0m段松散，僅見粗骨料，樁端持力層為中風(fēng)化巖?？梢姌渡韼锥尾煌恢没炷恋碾x析，對應(yīng)力波在樁身的傳播產(chǎn)生了影響，使整樁的平均波速比正常樁下降很多。在各離析段還是有部分應(yīng)力波透射，沿樁身傳播達(dá)到樁底，而底部的混凝土離析段，使得樁端與持力層的阻抗變化差異加大，使得樁底反向反射較明顯。

圖6 91#樁鉆芯法芯樣照片

2.2 實(shí)例2

南平市某樞紐工程，框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式采用沖(鉆)孔灌注樁，設(shè)計(jì)要求樁端持力層為中風(fēng)化石英云母片巖，樁身砼強(qiáng)度為 C35，場地土層簡況自上而下為:①素填土，層厚約為0.50m～10.60m;②粉質(zhì)粘土，層厚0.60～3.40m;③云母片巖殘積粘性土，層厚1.70～9.10m;④土狀強(qiáng)風(fēng)化石英云母片巖，層厚4.40～22.10m;⑤碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化石英云母片巖，0.70～16.0m;⑥中風(fēng)化石英云母片巖。

對15#樁進(jìn)行低應(yīng)變法檢測，見(圖7)，曲線顯示在2L/C位置附近同向反射明顯，但是其后入巖反向反射比較明顯。初步判斷是由于沉渣過厚導(dǎo)致的。

圖7 15#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

對15#樁進(jìn)行鉆芯法核驗(yàn)，見(圖8)，結(jié)果表明樁端混凝土與巖層緊密相連，樁端無沉渣。但交接段巖體裂隙較發(fā)育，完整程度為破碎，抓取巖樣時(shí)已散成小碎塊，無法進(jìn)行巖樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，該段長度約0.7m，其下為中風(fēng)化巖。當(dāng)持力層較破碎時(shí)，破碎界面的巖層阻抗比混凝土阻抗低，使得樁底同向反射明顯?？梢妴渭儚那€上很難準(zhǔn)確的判斷出樁端的嵌巖性狀。

圖8 15#樁鉆芯法樁端位置照片

對26#樁進(jìn)行低應(yīng)變法檢測，實(shí)測曲線見(圖9)，樁端位置同向反射較明顯，且在樁端之前有一幅值相對較小的同向反射，在2L/C位置之后的入巖反向反射一般。判斷即使考慮樁身阻抗?jié)u變產(chǎn)生的二次反射疊加，樁端可能存在嵌巖不良的情況。

圖9 26#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

對26#樁進(jìn)行鉆芯法核驗(yàn)，見(圖10)，由于沉渣較厚未能全部抓取，根據(jù)鉆機(jī)的進(jìn)尺判斷沉渣約為50cm，其下持力層為中風(fēng)化巖。可見對于樁端呈現(xiàn)“雙峰”狀的同向反射應(yīng)給予足夠重視，在難以判定樁端性狀時(shí)應(yīng)采用其他方法進(jìn)行進(jìn)一步的核驗(yàn)。

圖10 26#樁鉆芯法樁端位置照片

3 結(jié)語

1)樁身截面變化，土阻力變化、混凝土強(qiáng)度變化、持力層破碎程度及沉渣厚度大小等因素都可能使低應(yīng)變曲線上樁端的應(yīng)力波反射復(fù)雜化。

2)采用低應(yīng)變法對嵌巖樁樁端性狀進(jìn)行檢測時(shí)，當(dāng)曲線出現(xiàn)信號較復(fù)雜時(shí)，可根據(jù)施工及地質(zhì)情況，將同一場地、同一樁型的檢測結(jié)果進(jìn)行綜合比較，找出規(guī)律性，針對有疑問的樁，選出典型曲線樁，根據(jù)工程的實(shí)際情況選擇合適的驗(yàn)證方法進(jìn)行核驗(yàn)，以避免誤判或漏判。

3)低應(yīng)變法可作為嵌巖樁樁端性狀檢測的普查手段，而進(jìn)行綜合評價(jià)則需輔以其他檢測手段。

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