低應(yīng)變反射波法在工程中的應(yīng)用

孫濤

（沈陽中冶檢測(cè)工程有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 樁基質(zhì)量測(cè)試手段的發(fā)展概述

最早采用的測(cè)試樁基質(zhì)量方法只有靜載荷試驗(yàn)，隨著建筑物形態(tài)不斷復(fù)雜化，基礎(chǔ)形式也愈加豐富，特別是樁基礎(chǔ)發(fā)展更為迅速。工程所需的基樁數(shù)量越來越龐大，工藝形式越來越多，對(duì)于大量的樁基基礎(chǔ)，僅憑隨機(jī)抽選數(shù)量極少的樁基進(jìn)行靜載試驗(yàn)很難控制整個(gè)樁基工程質(zhì)量。各國(guó)都在尋求能夠控制基樁質(zhì)量的簡(jiǎn)易方法與手段。隨著電子工業(yè)特別是計(jì)算機(jī)科技的高速發(fā)展，波動(dòng)理論也快速發(fā)展，根據(jù)波動(dòng)理論而衍生出的測(cè)樁方法逐步成熟起來。從20 世紀(jì)80 年代，利用波動(dòng)技術(shù)的動(dòng)力測(cè)試方法在我國(guó)得到大力發(fā)展與普遍應(yīng)用，低應(yīng)變反射波法也因其經(jīng)濟(jì)高效，逐漸形成成熟的測(cè)試樁身完整性的主流方法。除此之外，也是基于波的理論發(fā)展而來的高應(yīng)變法，可測(cè)試大直徑超長(zhǎng)混凝土灌注樁的聲波透射法，利用鉆探技術(shù)檢測(cè)樁身質(zhì)量的鉆芯法等技術(shù)，都大量應(yīng)用檢查樁基礎(chǔ)質(zhì)量檢測(cè)中。

2 低應(yīng)變反射波法基本原理

2.1 波動(dòng)方程

2.2 波阻抗

波阻抗的引入，所得到三個(gè)重要結(jié)論，是低應(yīng)變反射波法進(jìn)行基樁完整性檢測(cè)的重要理論依據(jù)。低應(yīng)變反射波法主要是通過反射波所帶來的信息判斷基樁質(zhì)量。

3 低應(yīng)變反射波法所用的儀器設(shè)備

3.1 激振設(shè)備

目前工程所常用的激振設(shè)備為手錘或力棒。激振設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地基樁的實(shí)際情況而定。一般認(rèn)為高頻波分辨率高，可獲得淺部缺陷，但易衰減，對(duì)于長(zhǎng)樁往往不易接收到樁底反射；低頻波雖可獲得長(zhǎng)樁的樁底反射，但分辨率差，容易忽略淺部缺陷。我們可通過增加激發(fā)能量，使應(yīng)力波衰減變慢，在測(cè)試時(shí)可嘗試不同重量及面積的激振設(shè)備以求達(dá)到最好效果。對(duì)于高頻波與低頻波，需理解脈寬與所激發(fā)信號(hào)的關(guān)系，激振源所激發(fā)出的信號(hào)并非是單一信號(hào)，不同設(shè)備所產(chǎn)生的脈寬不同，帶來的信號(hào)成分也不同，脈寬越窄，高頻成分越豐富，脈寬越大，所產(chǎn)生的低頻成分就越豐富。

3.2 傳感器

有速度傳感器和加速度傳感器兩類。因加速度傳感器靈敏度高，頻率范圍寬，穩(wěn)定性好，推薦使用。

3.3 基樁動(dòng)測(cè)儀

國(guó)內(nèi)動(dòng)測(cè)儀器種類繁多，配套設(shè)備完善，現(xiàn)場(chǎng)操作方便。在國(guó)內(nèi)常見的動(dòng)測(cè)儀還有美國(guó)的PIT 系列，造價(jià)較高，性價(jià)比一般。

4 低應(yīng)變反射波法現(xiàn)場(chǎng)操作要點(diǎn)

信號(hào)采集工作可以說是低應(yīng)變反射波法最重要的部分。采集工作不規(guī)范，在數(shù)據(jù)處理階段會(huì)引起誤判，進(jìn)而影響工程進(jìn)度，造成經(jīng)濟(jì)損失。

4.1 樁頭處理

低應(yīng)變反射波法是通過在樁頂施加瞬態(tài)能量，采集入射波及反射波信號(hào)，判斷樁身完整性，那么樁頭的處理極為重要。首先灌注樁樁頭要去除浮漿、積水、泥渣或者破損部分，露出新鮮的混凝土作業(yè)面，在樁心及距樁心2/3 樁半徑處打磨四點(diǎn)，以供測(cè)試使用。對(duì)于管樁，可觀察法蘭盤與樁身混凝土結(jié)合程度，如已分離，應(yīng)去除法蘭盤，鋸平樁頭，無法蘭盤的破損樁頭也應(yīng)鋸平后再進(jìn)行測(cè)試。低應(yīng)變測(cè)試應(yīng)在未實(shí)施鋪設(shè)褥墊層之前，已鋪設(shè)褥墊層的需要把基樁與褥墊層斷開，避免測(cè)試信號(hào)出現(xiàn)異常。

4.2 傳感器的安裝與激發(fā)

傳感器應(yīng)使用耦合劑與測(cè)試基樁混凝土表面緊密連接，耦合劑不宜使用過多，防止出現(xiàn)耦合劑夾層。測(cè)試時(shí)，激振點(diǎn)與傳感器安裝點(diǎn)都應(yīng)遠(yuǎn)離鋼筋籠，避免因主筋振動(dòng)而產(chǎn)生干擾信號(hào)?；炷翗犊稍跇缎募ぐl(fā)，四周接收，而對(duì)于管樁，要求激發(fā)點(diǎn)與傳感器安裝點(diǎn)成90°夾角?？赏ㄟ^多次測(cè)試一根或幾根樁選擇合適的激振設(shè)備，對(duì)于中小直徑灌注樁，同一根樁不同位置的波型重復(fù)性應(yīng)較好，大直徑灌注樁應(yīng)多選擇幾點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別

在進(jìn)行測(cè)試前，應(yīng)了解現(xiàn)場(chǎng)基樁施工情況，特別是在施工過程中是否存在異常情況，對(duì)施工異常的基樁應(yīng)重點(diǎn)測(cè)試。采集過程中所發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)逐步排查，具體可檢查儀器參數(shù)是否正確，傳感器與動(dòng)測(cè)儀否連接，傳感器與基樁是否連接，測(cè)試基樁樁頭是否處理完畢，激振操作是否規(guī)范，排查完畢后應(yīng)加點(diǎn)復(fù)測(cè)，仍為異常反應(yīng)的，應(yīng)通知現(xiàn)場(chǎng)暫緩施工，及時(shí)處理數(shù)據(jù)，并采用其他手段，進(jìn)一步查明原因。

5 低應(yīng)變反射波法工程實(shí)例

5.1 某工程，基樁樁徑為500mm，砼強(qiáng)度C40，通長(zhǎng)配筋，有效樁長(zhǎng)14.43m。工程樁破至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后采用低應(yīng)變法測(cè)試基樁完整性，低應(yīng)變法時(shí)域曲線見圖1。

圖1 測(cè)試曲線1

分析：此樁樁底反射明顯，曲線清晰，無異常，按樁長(zhǎng)確定波速為3860m/s，波速范圍正常。

5.2 某工程采用沖孔灌注樁，持力層為中風(fēng)化凝灰?guī)r，樁徑為650mm，砼強(qiáng)度C40，通長(zhǎng)配筋，有效樁長(zhǎng)7.5m。工程樁破至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后采用低應(yīng)變法測(cè)試基樁完整性，低應(yīng)變法時(shí)域曲線見圖2a。

圖2a 測(cè)試曲線2

分析：此樁樁底反射明顯，曲線清晰，但對(duì)嵌巖樁來說，樁身波阻抗一般接近或小于巖體的波阻抗，曲線樁底反射不明顯或表現(xiàn)為反射波與入射波異向。c40 混凝土波速參考范圍為3900-4100m/s，假定此基樁波速為4000m/s，按施工記錄提供樁長(zhǎng)計(jì)算樁底起跳時(shí)間約為3.75ms，而測(cè)試曲線起跳點(diǎn)時(shí)間約為3.36ms，反算此起跳位置約在6.7m，結(jié)合其他資料，判斷此樁為異常樁。建議其采用鉆芯法驗(yàn)證樁端嵌巖情況。經(jīng)鉆芯法驗(yàn)證，此樁混凝土段長(zhǎng)度為7.56m，樁端嵌巖較好，樁身于6.03-6.11m處發(fā)現(xiàn)離析層，見圖2b。

圖2b 鉆芯取樣2

5.3 某工程采用沖孔灌注樁，持力層為中風(fēng)化凝灰?guī)r，樁徑為650mm，砼強(qiáng)度C40，通長(zhǎng)配筋，有效樁長(zhǎng)14m。工程樁破至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后采用低應(yīng)變法測(cè)試基樁完整性，低應(yīng)變法時(shí)域曲線見圖3a。

圖3a 測(cè)試曲線3

分析：此樁樁底反射明顯，曲線清晰，但對(duì)嵌巖樁來說，樁身波阻抗一般接近或小于巖體的波阻抗，曲線樁底反射不明顯或表現(xiàn)為反射波與入射波異向。c40 混凝土波速參考范圍為3900-4100m/s，假定此基樁波速為4000m/s。按施工記錄提供樁長(zhǎng)計(jì)算樁底起跳時(shí)間約為7ms，測(cè)試曲線起跳點(diǎn)時(shí)間約為5.94ms，反算此位置約在11.88m，結(jié)合場(chǎng)地其他資料判斷此樁為異常樁，建議采用鉆芯法驗(yàn)證樁端嵌巖情況。經(jīng)鉆芯法驗(yàn)證，此樁混凝土段長(zhǎng)度為12.1m，下部為含粘土碎石，至17.8 米為中風(fēng)化凝灰?guī)r，見圖3b。

圖3b 鉆芯取樣3

5.4 案例2，3 同場(chǎng)地工程樁，有效樁長(zhǎng)10.5m，測(cè)試曲線見圖4。

圖4 測(cè)試曲線4

分析：此樁無明顯樁底反射，按波速為4000m/s 計(jì)算樁底起跳時(shí)間約為5.25ms，曲線形態(tài)較好，無其他異常。

5.5 某工程樁徑為1000mm，砼強(qiáng)度C40，有效樁長(zhǎng)14m，工程樁破至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后采用低應(yīng)變法測(cè)試基樁完整性，低應(yīng)變法時(shí)域曲線見圖5a。

圖5a 測(cè)試曲線5

分析：此曲線為明顯異常曲線，第一處尖銳起跳為0.42ms，超過激振起跳，第二處起跳為1.68ms，第三處為3.3ms，第四處為5.18ms，最后一處為6.92ms。經(jīng)了解，該處地質(zhì)條件復(fù)雜，施工超方嚴(yán)重。此樁進(jìn)行開挖驗(yàn)證，樁頭處測(cè)量樁徑為1.10 米，下部0.20 米處即開始漸縮，測(cè)量最大回縮處，回縮0.08 米，大于設(shè)計(jì)樁徑，后樁徑漸擴(kuò)，基樁表面不光滑，多處混凝土凸塊，基樁挖至3.50 米，未見其他異常，見圖5b-5d，驗(yàn)證此樁為可用樁無需處理。此樁測(cè)試曲線由于頂部異常，已無法測(cè)試到樁底反射，其后繼信號(hào)大部分為頂部異常信號(hào)的多次反射。

圖5b 開挖驗(yàn)證樁徑

圖5c 開挖驗(yàn)證樁頭

圖5d 開挖驗(yàn)證至3.5m

5.6 某工程樁徑為1000mm，砼強(qiáng)度C30，有效樁長(zhǎng)34m，工程樁破至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后采用低應(yīng)變法測(cè)試基樁完整性，低應(yīng)變法時(shí)域曲線見圖6a。

圖6a 測(cè)試曲線6

分析：此樁無明顯樁底反射，在4.6ms 處有一明顯起跳，判斷為異常樁，進(jìn)行開挖驗(yàn)證。第一次挖至五米，基坑坍塌至3.5米，樁頭處測(cè)量樁徑為1.06 米，基樁一側(cè)，混凝土凸起較多，表面不光滑，樁頭起算，0 米至1.5 米處基樁樁徑漸擴(kuò)，1.5 米處回縮，回縮樁徑明顯大于設(shè)計(jì)樁徑，于3.4 米處基樁二次擴(kuò)徑，基樁挖至3.5 米未見其他異常?；鶚兜诙瓮谥? 米，未坍塌，下部偶有混凝土凸起，未見其他異常，見圖6b，最終判定為可用樁，無需處理。

圖6b 開挖驗(yàn)證至6 米

5.7 某工程樁徑為1000mm，砼強(qiáng)度C30，有效樁長(zhǎng)28m，工程樁破至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后采用低應(yīng)變法測(cè)試基樁完整性，低應(yīng)變法時(shí)域曲線見圖7a。

圖7a 測(cè)試曲線7

分析：此樁無明顯樁底反射，在2.8ms 處有一尖銳起跳，在4.15ms 為第二處正向起跳，判斷為異常樁，進(jìn)行取芯驗(yàn)證。取芯深度為4.5m，所取芯樣連續(xù)、完整、表面光滑、膠結(jié)好，未見異常，表明籠內(nèi)砼完好，判斷異常不是砼離析產(chǎn)生的，見圖7b，此樁判為可用樁，無需處理，但仍然給出縮徑結(jié)論。

圖7b 取樣圖片

5.8 某工程樁徑為1000mm，砼強(qiáng)度C30，有效樁長(zhǎng)27m，工程樁破至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后采用低應(yīng)變法測(cè)試基樁完整性，低應(yīng)變法時(shí)域曲線見圖8a。

圖8a 測(cè)試曲線8

分析：此樁無明顯樁底反射，在3ms 及4ms 處有兩處正向起跳，判斷為異常樁，進(jìn)行開挖驗(yàn)證。開挖后，基樁0.2 米處即有局部擴(kuò)大，1.4 米處第一次擴(kuò)徑，回縮后樁身樁徑明顯大于設(shè)計(jì)樁徑，2.5 米處第二次擴(kuò)徑，基樁挖至4.1 米，未見其他異常，見圖8b，判定此樁為可用樁，無需處理。

圖8b 開挖驗(yàn)證

6 低應(yīng)變反射波法問題與研究方向

受理論局限，有些樁實(shí)際是不適合進(jìn)低應(yīng)變法測(cè)試，比如長(zhǎng)樁，異形樁，甚至長(zhǎng)徑比過小的樁。但出于經(jīng)濟(jì)考慮，非異形樁絕大多數(shù)還是首選低應(yīng)變法測(cè)試。這就需要技術(shù)人員有過硬的理論及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是對(duì)于異常樁所產(chǎn)生的信號(hào)應(yīng)結(jié)合驗(yàn)證進(jìn)行積累。對(duì)于發(fā)現(xiàn)問題的基樁應(yīng)及時(shí)反饋，抓緊論證，避免耽誤工程生產(chǎn)。低應(yīng)變法所采集信號(hào)能確定的僅是信號(hào)的時(shí)間，一般根據(jù)施工單位提供的樁長(zhǎng)，比對(duì)砼波速度。對(duì)于異常波形，其曲線往往體現(xiàn)于信號(hào)的起跳，一般類似于樁底反射，因而此時(shí)所確定的波速是明顯高的。對(duì)于砼標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)波速，雖有研究，甚至某些規(guī)程給出具體數(shù)值，但筆者認(rèn)為其應(yīng)僅供參考，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)所采集的曲線樁底反射明顯，雖偏離常見的數(shù)值區(qū)間，但絕大多數(shù)基樁反映一致時(shí)，不應(yīng)教條執(zhí)行。對(duì)于長(zhǎng)樁的低應(yīng)變測(cè)試，在調(diào)整激發(fā)設(shè)備的同時(shí)，還可采用調(diào)整儀器參數(shù)，由短及長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，可避免上部找不著，下部看不著，而錯(cuò)過問題樁的發(fā)現(xiàn)。對(duì)于空心管樁的低應(yīng)變測(cè)試，仍然需要不斷探索，本文實(shí)例部分均為混凝土灌注樁，我們看到對(duì)于大多數(shù)樁低應(yīng)變法還是高效的。但近些年對(duì)于低應(yīng)變反射波法的理論依舊停留在應(yīng)力波在桿內(nèi)的傳播規(guī)律研究上，而實(shí)際由儀器所采集的反射波所能帶來的信息效率不高，特別是樁周土體系對(duì)于應(yīng)力波的影響究竟是什么樣的依然無法得知。

同時(shí)低應(yīng)變測(cè)試目前應(yīng)用范圍還僅是樁基礎(chǔ)完整性測(cè)試，以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)工程應(yīng)用是十分廣泛的，作為其中的一種方法，能否擴(kuò)展應(yīng)用范圍，是未來研究的方向。

7 結(jié)論

基樁工程作為地下隱蔽工程，想探尋一種簡(jiǎn)單有效的方法進(jìn)行質(zhì)量控制任重道遠(yuǎn)。低應(yīng)變反射波法在近幾十年的快速發(fā)展中，因其高性價(jià)比，已經(jīng)成為必要測(cè)試手段。但其對(duì)于工程中所遇到的問題，低應(yīng)變法還不能全面給出定性答案，有時(shí)對(duì)于異常的判斷還是基于經(jīng)驗(yàn)，特別是異常部位對(duì)工程安全的影響程度，還需要進(jìn)行其他手段進(jìn)一步查明。作為基樁測(cè)試人員，不能盲目自信，急于做出結(jié)論。