低應(yīng)變反射波法樁身完整性檢測的應(yīng)用與分析

郝松碩，李大華，韓孟君，宋國文，李俊豪，彭程，

低應(yīng)變反射波法樁身完整性檢測的應(yīng)用與分析

郝松碩1，李大華1，韓孟君2，宋國文1，李俊豪3，彭程4，

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601；2.安徽建工集團股份有限公司，合肥 230031；3.桂林理工大學(xué) 電氣與電子工程系，廣西 桂林 541004；4.合肥城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

低應(yīng)變反射波法，是一種運用應(yīng)力瞬間或穩(wěn)定激振的方式在樁的頂部激振，實際測試樁基頂部的速度時程曲線或者速度的導(dǎo)納曲線，經(jīng)過波動理論的分析或者頻域的分析，對于樁基全身的完整性來進行判定的檢測方法。針對在樁身出現(xiàn)的破裂、漲縮、空洞等問題，進行此實驗監(jiān)測波速值和波動圖來判斷其完整性，實驗利用低應(yīng)變反射波法檢測42根樁基，觀測此方法的合理性與準確性，來保證工程的安全性。

低應(yīng)變反射波法；預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁；波動理論；樁身完整性

近些年來，我國的建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展，但在工程中有時候也會出現(xiàn)一些事故，這和工程實施前后的檢測工作不夠充分有很大的關(guān)系。我國的地域比較遼闊，地況也是非常復(fù)雜，所以在施工過程中，不是所有的土質(zhì)都是適合直接施工建造的，特別是有些軟土的區(qū)域就不適合直接施工。一些軟土區(qū)域，含大量的淤泥、流沙，含水量也極高，土質(zhì)較為松軟，支撐性較弱，在這類土區(qū)域直接垂直開挖深基坑極易形成塌方等重大事故，對工程本身和周邊的建筑將造成威脅和傷害，所以在這類基坑施工的時候，通常采用預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁支撐的方法，對基坑進行支護，保證其安全。在埋設(shè)預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁之后，隨之而來的也會有許多問題，例如樁身出現(xiàn)破裂、漲縮、孔洞等一系列問題。但是隨著施工的進行，所有的管樁都將被埋于地下，較為隱蔽，無法直接觀測到其完整性，所以樁基全身的完整性檢測是個急需解決的問題。

1 低應(yīng)變反射波法

1.1 低應(yīng)變反射波法的原理

低應(yīng)變反射波法是以一維波動理論為基礎(chǔ)的，依靠這個理論可以建立一個一維彈性波動方程。

式(1)中，就是應(yīng)力波順著樁基在豎直方向上傳導(dǎo)的速度[1-2]?；谝痪S的波動理論，可列出以下一些數(shù)據(jù)，設(shè)為這個彈性桿件的長，為桿件的橫截面積，為桿件的質(zhì)量[1]密度，則代表桿件的彈性模量，桿件的軸線方向被稱作是軸，則為施加的外力，就表示每一個截面上振動的偏移量，設(shè)應(yīng)力傳播的時間為自變量，桿件截面上的位移量視為因變量，要求出的為聲波在桿件上的傳播速度，以此來判定埋于地下的預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁是否完整。假使樁身本體和樁周圍的土體全部都是各自方向上相同性質(zhì)的彈性體，在這種低應(yīng)變的檢測條件下，樁身本體和其周圍的土體界面不會分散，而且樁身和土體的界面處速度和應(yīng)力都具有非常良好的連續(xù)性。所以基于已知的彈性理論[3-4]，用錘子或其他工具對樁頭施加一個瞬態(tài)的激振力，則產(chǎn)生一彈性應(yīng)力波會順著樁身向下快速傳播，傳播的過程中如果遇到斷樁、孔洞或者縮徑擴徑的情況時，就會產(chǎn)生波阻，這種波阻則立刻通過樁身反射回來到樁頭，然后利用提前在樁頭設(shè)置的接收器接受其反饋，再通過連接接收器的計算機顯示反饋信號，呈現(xiàn)一系列數(shù)據(jù)和波狀圖，通過這些數(shù)據(jù)的變化和圖形的波動來判斷埋于地下預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁的完整性。

1.2 低應(yīng)變反射波法的優(yōu)點

在眾多的檢測方法中之所以選擇了低應(yīng)變反射波法，是因為它有著許多優(yōu)點。特別是低應(yīng)變反射波法對淺部的斷樁、縮徑等因樁身阻抗變化所引起的缺陷比較敏感，在測試技術(shù)上的優(yōu)勢非常巨大[5-7]。而且對樁基基本沒有損傷，減少了經(jīng)濟損失，避免了材料的浪費，在環(huán)保綠色施工方面也有所貢獻，此類方法對檢測這一類的問題非常便捷準確。

2 低應(yīng)變反射波法的具體實施步驟

2.1 準備工作

整體的測驗之前，需要做一些必要的準備工作。首先要對現(xiàn)場整體的環(huán)境進行全面的檢查，能保證所有的檢測都處在一個安全且可控的環(huán)境下。然后要對樁基周圍的土質(zhì)進行檢測，對樁身的長度和直徑也都要有詳細的了解。尤其對于重要的部位，要重點排查檢測，如樁頭、樁基等，如果這些重要部位的混凝土澆筑質(zhì)量不夠高，很容易在檢測的過程中產(chǎn)生一些過激的信號，從而出現(xiàn)一些震蕩的情況，進而會導(dǎo)致檢測到的信號不是非常穩(wěn)定，會出現(xiàn)相干波或者衍射等干擾實驗結(jié)果的現(xiàn)象，在對樁基的具體位置的判斷上就無法做到準確無誤，所以出現(xiàn)誤差的幾率就大大增加[8-9]。

樁頭、樁基的混凝土密度和質(zhì)量必須得到保證。采用預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁，這種高強度的管樁完全符合檢測條件，同時也能確保地基支護的安全。

對樁頭進行清潔和打磨，以便于安裝聲波傳感器，把聲波傳感器粘合在樁頭上之后，再將信號接收器、計算機等顯示波段的儀器連接到傳感器上。一切觀測、清潔、安裝之后，便可以開始進行檢測工作了。

2.2 土質(zhì)波速檢測

由于在不同的土質(zhì)中，實際波速是各不相同的，所以實驗對每個鉆孔的不同土質(zhì)波速進行實際測驗，這里取孔兩孔為例，如表1, 2。實測不同鉆孔六種土質(zhì)的剪切波速，可見最淺的雜填土最慢，最深的粉質(zhì)黏土與粉土互層波速最快。

表1 1#鉆孔剪切波速值一覽表

表2 38#鉆孔剪切波速值一覽表

2.3 樁基設(shè)計參數(shù)

在使用低應(yīng)變反射波法檢測之前，需要根據(jù)不同的土質(zhì)對樁基來進行參數(shù)設(shè)計，以便于最后的計算，如表3所示。

表3 樁基設(shè)計參數(shù)表

：極限端阻力標準值；Q：單樁第層土的極限側(cè)阻力標準值；：表示樁長；抗拔系數(shù)按0.7取值。

2.4 檢測操作

先將樁頭周圍松散的泥土和石塊進行清除，直至露出比較密實緊致的土壤為止，這樣可以有效提升數(shù)據(jù)的準確性，然后用錘子等工具快速地敲擊樁頭，對反饋回來的數(shù)據(jù)根據(jù)樁號進行錄入，將計算機上生成的波狀圖也加以處理保存，獲得實際的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)留作分析。

2.5 數(shù)據(jù)整理及結(jié)果分析

基樁是否完整有自己的規(guī)范與標準[10]，如表4所示。

表4 基樁低應(yīng)變反射波法檢測完整性分類判別標準

注：對相同的場地、土體條件也非常相似、樁基型號和成樁的工藝也一樣的基樁，因為樁身兩端的地方阻抗與持力層的阻抗能夠互相匹配，導(dǎo)致實測信號沒有樁底反射波的時候，就可以按照和本場地同條件下，有柱底部反射波的其他樁實測信號來判定樁身的完整性類別。其中樁長用來表達，受檢測樁的樁身波速（m/s）用來表述，幅頻信號曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差用Δ’來表示。

2.6 樁基幾種常見的問題

（1）樁錘的選用不合適，在錘擊的時候造成樁身、樁頭的破裂，增加了打樁破損率。

（2）錘墊或者樁墊不能太軟，因為當(dāng)其過軟時，實測錘擊的時候，樁基本身的沖量就會增大，錘擊時的能量損失也會非常大，導(dǎo)致樁難以打至預(yù)先設(shè)計好的標高；然而也不能太硬，因為如果太硬，錘擊的應(yīng)力就會很大，樁頭就非常容易被擊碎，從而使樁基本身遭到破壞，影響到測試的結(jié)果[11]。

（3）在黏土層厚度太大的地方施工，一旦中途停歇的時間過長，土質(zhì)就會硬化，造成剩下部分的樁身無法打入。

（4）每個樁之間的間隔比較小，各樁之間相互擠壓會導(dǎo)致土體破裂，從而影響施工。

2.7 檢測結(jié)果匯總

經(jīng)過實驗檢測后按照樁號逐一統(tǒng)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并計算波速，如表5。

實驗用低應(yīng)變法檢測42根工程樁，經(jīng)分析：皆為Ⅰ類樁，被測基樁樁身混凝土波速在4132m/s～4372m/s之間，樁身平均波速4251m/s，樁身完整性符合設(shè)計和規(guī)范要求。

每根樁在檢測時，連接的計算機上都會生成波狀圖，現(xiàn)取9號基樁低應(yīng)變反射波法檢測曲線波狀圖進行展示，如圖1所示。

運用低應(yīng)變反射波法檢測這些樁基，產(chǎn)生的波形圖如圖1，代表錘擊樁頭反饋回來的動量，通過動量逐漸趨于穩(wěn)定的形式來判斷樁身完整性。從圖中可以看出，它的曲線較為平滑，在樁的底部也有相同方向的反射信號，所以完全可以判定樁基本身的完整性非常良好，滿足工程的安全性要求。

表5 基樁低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果匯總表

圖1 低應(yīng)變樁身完整性檢測附圖（9號樁）

3 低應(yīng)變反射波法的局限性分析

雖然低應(yīng)變反射波法在檢測樁身完整性時有這許多優(yōu)勢，但是它也有一些局限性。其在檢測時對工作人員要求比較高，結(jié)果受人為影響比較大，嚴重的會出現(xiàn)判斷錯誤的現(xiàn)象。目前，低應(yīng)變反射波法還只能對缺陷性質(zhì)做出判定，依據(jù)反射波形判斷位置，但是無法準確的判定具體的數(shù)值[12]，而且低應(yīng)變反射波法時基于一維彈性桿件的理論，但是這種理論只是一種理想化的假設(shè)，并不能實際做到，所以在檢測時還是會存在一些誤差。波阻的傳送也受樁周圍土質(zhì)的影響，如果土質(zhì)環(huán)境不好，對應(yīng)力波傳送過程中的損耗也是比較嚴重的，從而也會影響檢測結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）在進行樁基完整性檢測之前，各種土質(zhì)的檢測非常必要。

（2）在基坑為軟土的工程中，使用這種預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁埋設(shè)，可以明顯加強地基承載力，保證施工的安全。

（3）通過實驗等數(shù)據(jù)也可以看出，本此實驗埋設(shè)的所有樁都具有完整性，符合設(shè)計和規(guī)范的要求。

（4）運用低應(yīng)變反射波法檢測法去檢測樁身的完整性是一種高效率的、經(jīng)濟的、環(huán)保的檢測方法，非常值得深入發(fā)展使用。

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Application and analysis of low strain reflected wave method for pile integrity detection

HAO Song-shuo1，LI Da-hua1，HAN meng-jun2，SONG Guo-wen1，LI Jun-hao3，PENG Cheng4

(1.School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Anhui Construction Engineering Group Co., LTD., Hefei 230031, China; 3.Department of Electrical and Electronic Engineering, Guilin University of Technology, Guangxi Guilin 541004, China; 4.School of Civil Engineering, Hefei City University, Anhui Chaohu 238000, China)

The low strain reflected wave method is a detection method that uses the method of instantaneous or stable stress excitation to excite the vibration on the top of the pile, actually tests the velocity time history curve or velocity admittance curve on the top of the pile foundation, and judges the integrity of the whole pile foundation through the analysis of wave theory or frequency domain. Aiming at the problems of fracture, shrinkage and cavity in the pile body, this experiment is carried out to monitor the wave velocity value and wave diagram to judge its integrity, The low strain reflected wave method is used to detect 42 pile foundations, and the rationality and accuracy of this method are observed to ensure the safety of the project.

low strain method；prestressed high strength concrete pipe pile；wave theory；pile integrity

2021-11-04

安徽建工集團股份有限公司校企合作基金資助項目“阜南中醫(yī)院建設(shè)項目施工質(zhì)量控制技術(shù)”（HYB20210150）

郝松碩（1997-），男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事工程的現(xiàn)代化施工研究，1274422320@qq.com。

TU473.16

A

1007-984X(2022)04-0043-05