低應(yīng)變法檢測(cè)樁基礎(chǔ)工程的樁身完整性研究

李衛(wèi)慶，薛志成，裴 強(qiáng)

（1.廣州市吉華勘測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 511400；2.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000；3.大連大學(xué) 土木工程技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心， 遼寧 大連 116622）

低應(yīng)變反射波法[1,2]是低應(yīng)變動(dòng)力試樁最常用的方法之一，其設(shè)備簡(jiǎn)便、成本低、方法快捷、檢測(cè)結(jié)果較可靠，是檢測(cè)樁身完整性的一種有力手段。實(shí)際工程基樁質(zhì)量檢測(cè)中，基樁質(zhì)量在承擔(dān)地基基礎(chǔ)中的作用尤其重要，并經(jīng)多年應(yīng)用與研究，低應(yīng)變反射波法得到廣泛應(yīng)用并已納入廣東省標(biāo)及國(guó)家基樁相關(guān)規(guī)范[3-5]中。然而，施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，不同的樁型和施工工藝以及檢測(cè)人員的技術(shù)水平等因素都將會(huì)影響實(shí)測(cè)信號(hào)質(zhì)量的采集，容易造成對(duì)樁身質(zhì)量的錯(cuò)誤判定，從而帶來(lái)隱性的工程質(zhì)量與安全事故。因此，本文基于以一維應(yīng)力波為基礎(chǔ)理論的低應(yīng)變反射波法，結(jié)合工程案例，對(duì)不同類型的缺陷樁進(jìn)行分析，研究實(shí)測(cè)波形曲線反射信號(hào)特證與樁身完整性之間的關(guān)系，為正確評(píng)價(jià)基樁質(zhì)量提供參考。

1 一維彈性桿波動(dòng)方程建立

低應(yīng)變反射波法理論是以一維波動(dòng)方程為理論基礎(chǔ)，假定樁為一維線彈性桿，研究樁頂在激振力作用下產(chǎn)生應(yīng)力波沿樁身向下傳播的樁土體系動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在滿足波長(zhǎng)λ小于樁長(zhǎng)L，且波長(zhǎng)λ大于樁徑D的前提下，忽略土阻力變化，建立一維桿波動(dòng)方程：

2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度反射波和透射波與入射波的關(guān)系建立[6]

圖1 波傳播受土阻力及阻抗變化的影響

基于特征值法求解波動(dòng)方程式（1），則有：

根據(jù)界面處力平衡和速度連續(xù)條件有：

不考慮界面附近土阻力分布及其變化，由式（2）和式（3）得到：

在低應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性試驗(yàn)中，一般只考慮速度量，對(duì)樁身波阻抗或樁端界面變化處分三種情況進(jìn)行討論：

3 樁身混凝土強(qiáng)度與地區(qū)經(jīng)驗(yàn)波速之間的關(guān)系

表1 樁身混凝土強(qiáng)度與地區(qū)經(jīng)驗(yàn)波速之間的關(guān)系

4 低應(yīng)變法檢測(cè)樁身質(zhì)量

基樁檢測(cè)過(guò)程中，樁底反射信號(hào)與入射脈沖信號(hào)相位關(guān)系很大程度上取決于受檢樁的持力層性狀。無(wú)論是對(duì)于摩擦樁還是嵌巖樁，當(dāng)樁身波阻抗大于樁端巖面阻抗時(shí)，樁底同向反射信號(hào)明顯；當(dāng)樁身波阻抗接近樁端巖面阻抗時(shí)，樁底反射信號(hào)不明顯；當(dāng)樁身波阻抗小于樁端巖面阻抗時(shí)，特別是受檢樁的樁端嵌入較堅(jiān)硬的巖層且樁底無(wú)沉渣時(shí) ,樁底將會(huì)出現(xiàn)明顯的類似擴(kuò)徑的反向反射信號(hào)。因此，正確評(píng)價(jià)樁身完整性，尤其對(duì)缺陷類型進(jìn)行判定，應(yīng)充分考慮樁型、地質(zhì)條件及施工工藝。

4.1 完整樁的樁底反射波特征

圖2為某住宅小區(qū)A棟樓20#摩擦樁實(shí)測(cè)波形曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16 m，直徑1 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。地質(zhì)情況為：0～4 m為殘積土層，4～17 m為粘土層。

圖2 完整摩擦樁波形

從圖2實(shí)測(cè)波形曲線可以看出：2L/c時(shí)刻前無(wú)同向反射波，樁底反射明顯，混凝土平均彈性波速為3810 m/s，波速正常，樁身完整性好，故樁身完整性為1類。

圖3為某中學(xué)綜合樓6#嵌巖灌注樁實(shí)測(cè)波形曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22 m，直徑1 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。地質(zhì)情況為：0～6 m為粘土層，6～19 m為砂土層，19～24 m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

圖3 完整嵌巖樁波形

從圖3實(shí)測(cè)波形曲線可以看出：應(yīng)力波沿樁身向下傳播進(jìn)入到基巖，出現(xiàn)明顯的反向反射峰，這是由基巖反射得到的，并非來(lái)源于樁底反射。應(yīng)力波傳播至基巖，從基巖進(jìn)入到樁端持力層，曲線尾部逐漸歸零，樁底無(wú)明顯的反射信號(hào)，表明樁身混凝土強(qiáng)度接近樁端巖面強(qiáng)度，樁端嵌入到較好的基巖；此外，混凝土平均彈性波速為3948 m/s，波速正常，樁身完整性好，故樁身完整性為1類。

4.2 缺陷樁的樁底反射波特征

圖4為某花園小區(qū)住宅樓59#摩擦樁實(shí)測(cè)波形曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)13 m，直徑1.2 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。地質(zhì)情況為：0～8 m為砂質(zhì)粘土層，8～14 m為砂土層。

圖4 淺部缺陷樁波形

從圖4實(shí)測(cè)波形曲線可以看出：2L/c時(shí)刻前，樁身約2.5 m處出現(xiàn)與入射波同向的反射波，該同向反射波起跳幅值較小，可判為淺部有輕微缺陷；2L/c時(shí)刻樁底有較為明顯同向反射信號(hào)，混凝土平均彈性波速為3745 m/s，波速正常，樁身基本完整，故樁身完整性為2類。

圖5為某小學(xué)教學(xué)樓81#摩擦樁實(shí)測(cè)波形曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20 m，直徑1.2 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。地質(zhì)情況為：0～6 m為砂質(zhì)粘土層，6～15 m為粘土層，15～21 m為砂土層。

圖5 中部缺陷樁波形

從圖5實(shí)測(cè)波形曲線可以看出：2L/c時(shí)刻前，樁身約9.9 m處出現(xiàn)與入射波同向的反射波，該同向反射波起跳不明顯，且幅值較小，可判為輕微缺陷，2L/c時(shí)刻實(shí)測(cè)曲線尾部歸零，即樁底無(wú)明顯反射信號(hào)，混凝土平均彈性波速為4064 m/s，波速正常，樁身基本完整，故樁身完整性為2類。

圖6為某中學(xué)F棟宿舍樓70#嵌巖樁實(shí)測(cè)曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)18 m，直徑 1.2 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。地質(zhì)情況為：0～7 m為砂質(zhì)粘土層，7～13 m為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，13～20 m為中風(fēng)化灰?guī)r。

圖6 明顯缺陷樁波形

從圖6實(shí)測(cè)波形曲線可以看出：2L/c時(shí)刻前，樁身約6.8 m處出現(xiàn)與入射波同向的反射波，該同向反射波起跳明顯，且幅值大，可判為明顯缺陷；2L/c時(shí)刻樁底先出現(xiàn)與入射脈沖同向的反射信號(hào)，緊接著出現(xiàn)反向反射信號(hào)，這類樁底反射信號(hào)特征說(shuō)明該嵌巖樁樁底下可能存在沉渣。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》（DBJ15-60-2008）9.4.4條～9.4.5條，該樁樁身完整性為3類。

4.3 沉渣嵌巖樁的樁底反射波特征[10-12]

圖7為某商業(yè)樓107#嵌巖樁實(shí)測(cè)波形曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)19 m，直徑 1.2 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。地質(zhì)情況為：0～5 m為砂質(zhì)粘土層，5～16 m為粘土層，16～20 m為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

圖7 某商業(yè)樓107#嵌巖樁實(shí)測(cè)波形

從圖7實(shí)測(cè)波形曲線可以看出：樁底先出現(xiàn)與入射脈沖同向的反射信號(hào)，隨后出現(xiàn)反向反射信號(hào)，說(shuō)明該嵌巖樁樁底有沉渣，應(yīng)力波傳播至沉渣界面產(chǎn)生同向反射波，穿透沉渣層進(jìn)入基巖后，經(jīng)基巖反射出現(xiàn)反向反射波，分析表明，沉渣厚度較薄時(shí)，應(yīng)力波可貫穿沉渣，并繼續(xù)傳播至基巖，然后反射回樁頂 。

圖8為某民用建筑住宅樓3#嵌巖樁實(shí)測(cè)波形曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)17 m，直徑 1.2 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。地質(zhì)情況為：0～4 m為殘積層，4～10 m為粘土層，10～15 m為砂土層，15～18 m為中風(fēng)化灰?guī)r。

圖8 某民用建筑住宅樓3#嵌巖樁實(shí)測(cè)波形

從圖8實(shí)測(cè)波形曲線可以看出：樁底只出現(xiàn)與入射脈沖同向的反射信號(hào)，說(shuō)明該嵌巖樁樁底有沉渣，應(yīng)力波傳播至沉渣界面產(chǎn)生同向反射波，因沉渣厚度較大，應(yīng)力波無(wú)法穿透沉渣層進(jìn)入基巖進(jìn)行第二次反射。分析表明，沉渣厚度較大時(shí)，應(yīng)力波到達(dá)樁底后被沉渣層阻隔將會(huì)無(wú)法到達(dá)樁底基巖。

5 結(jié)論

（1）2L/c時(shí)刻前出現(xiàn)同向反射信號(hào)，當(dāng)同向反射波幅值較小時(shí)，樁身缺陷為輕微缺陷；當(dāng)同向反射波幅值較大時(shí)，樁身缺陷為明顯缺陷。

（2）當(dāng)樁身波阻抗大于樁端巖面阻抗時(shí)，樁底同向反射信號(hào)明顯；當(dāng)樁身波阻抗接近樁端巖面阻抗時(shí)，樁底反射信號(hào)不明顯；當(dāng)樁身波阻抗小于樁端巖面阻抗時(shí),樁底與巖面可以看成是一個(gè)整體，樁底將會(huì)出現(xiàn)明顯的類似擴(kuò)徑的反向反射信號(hào)。

（3）樁底沉渣厚度較薄時(shí)，應(yīng)力波可穿透沉渣層，并繼續(xù)傳播至基巖并反射回樁頂 ；沉渣厚度較大時(shí)，應(yīng)力波到達(dá)樁底后被沉渣層阻隔將無(wú)法到達(dá)樁底基巖。對(duì)于嵌巖樁，樁底反射波與入射波相位相同時(shí)，樁身完整性判為3類。