反射波法在檢測軟土基樁完整性中的應(yīng)用

王煒，黃殿武，高金良，熊厚仁

(1.浙江興遠建設(shè)有限公司，浙江嘉興314003；2.嘉興學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江嘉興314001)

近年來，樁基工程因其施工方便、承載力可調(diào)而被廣泛應(yīng)用在建筑、交通等領(lǐng)域，[1-3]同時吸引大量技術(shù)人員研究其力學(xué)及安全性能[4-6].樁的分類繁多，按承載力可分為端承樁、摩擦樁和端摩樁；按成樁方式可分為預(yù)制樁和灌注樁；按樁質(zhì)可分為鋼樁、鋼筋砼樁、砼樁、木樁、粉噴樁、石灰樁、砂樁、碎石樁等；按形狀可分為圓樁、方樁，矩形樁與異狀樁等.樁基是建筑物的基礎(chǔ)，支撐著地面上的建(構(gòu))筑物，是隱遮在地下的隱蔽工程，缺陷樁、斷樁等對建(構(gòu))筑物的安全有著重要危害，因此，基樁檢測已引起人們的高度重視,成為地基基礎(chǔ)問題的一個熱點.[7-8]而基樁檢測中最重要的內(nèi)容是承載力檢測，承載力檢測是隨機抽樣和重點抽樣的靜力檢測，優(yōu)點是可以給出準確的單樁極限承載力，缺點是難以全面檢測所有工程樁，因此會出現(xiàn)不合格工程樁漏檢的情況.為彌補靜力檢測的不足,學(xué)者發(fā)明了樁基動力檢測法，目前使用較多的動力檢測法是反射波檢測法，其操作方便，并可實現(xiàn)工程樁全部檢測，因此,被大量工程技術(shù)人員所采用.[9-11]基樁的完整性對建筑物的基礎(chǔ)安全具有重要影響，反射波法可以用來快速檢測并評價樁身完整性.本文以軟土地區(qū)某工程樁基低應(yīng)變檢測為例，分析反射波法在軟土基樁完整性檢測中的應(yīng)用.

1 反射波法的判斷缺陷

根據(jù)文獻[12-13]的研究成果，將樁身近似為一維桿件，通過敲擊樁頂產(chǎn)生下行波，因橫波、面波的波速和波幅與縱波相比較小，因此只考慮彈性縱波在樁體內(nèi)傳播，假設(shè)樁身各橫截面振動過程中保持與軸心垂直且保持平面，將樁身看做無窮多個等間距h和等質(zhì)量的質(zhì)點mi通過剛度為E的彈簧連在一起，桿件線密度為ρ，則每個質(zhì)點的質(zhì)量為mi=ρh，建立縱波模型如圖1，其中坐標x方向為樁體軸心指向樁底方向且為縱波下行波方向.

圖1 樁體一維波動示意圖

以u表示x方向的位移，則一維波動方程可以寫為

(1)

u(x,t)=g(x-ct)+f(x+ct)

(2)

式(2)中,g(x-ct)表示的是向樁底的下行波，f(x+ct)表示的是回樁頂?shù)姆瓷洳?，通過在樁頂安置傳感器來接收錘擊樁頂產(chǎn)生的下行波和反射波的縱波信號，樁身缺陷位置由于彈性模量、密度及橫截面積等與正常樁身不同，導(dǎo)致波的傳播速度等受到影響而變化，通過對反射波波速、相位和波幅變化進行分析，進而判斷樁身缺陷性質(zhì)和位置.圖2為一維波動理論分析判斷樁身缺陷位置的示意圖.

圖2 反射波判斷樁身缺陷位置示意圖

取L為樁頂?shù)綐兜椎木嚯x，t為在樁頂位置接收反射波的時間，tL為在樁頂位置接收到樁底反射波的時間.反射波的行程由樁頂?shù)綐兜椎娜肷湫谐毯蜆兜追瓷涞綐俄數(shù)姆瓷湫谐虄刹糠纸M成，總行程為入射行程與反射行程之和，即為2倍樁身長度，則樁身的平均波速為

c=2L/tL

(3)

第一個樁身缺陷反射波時間為t0，則樁身缺陷位置距離樁頂?shù)木嚯xL0為

(4)

反射波法對樁身完整性判定，需考慮土層性質(zhì)，當樁周圍存在流塑性等軟弱土層，預(yù)制樁施工產(chǎn)生超孔隙水壓力及擠土效應(yīng)等造成樁身損傷，灌注樁施工也會因混凝土流失導(dǎo)致出現(xiàn)樁身離析、縮徑和擴徑等情況，對具體工程，反射波信號應(yīng)將樁型、成樁工藝、土層性質(zhì)等綜合分析，判斷樁身完整性程度.

2 實測案例

2.1 樁基施工情況

2.2 現(xiàn)場檢測

在樁頂錘擊產(chǎn)生下行入射波，反射波由安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮?，通過基樁動測儀采集信號并進行分析，判定樁長和樁身完整性.

采用橡皮泥作為耦合劑，將兩個信號的接收傳感器安裝在樁頂部同一直徑的1/2壁厚處，并與樁頂面垂直.錘擊樁頂后，傳感器得到反射波信號，如圖3、圖4和圖5所示.

圖3 完整樁的反射波曲線

圖4 輕微缺陷樁反射波曲線

圖5 斷樁反射波曲線

觀察圖3中樁身長度0至20 m段的反射波信號，樁頭處(第一反射波峰)反射波信號連續(xù)且光滑，證明本預(yù)制樁靜壓施工，樁頭完好.本預(yù)制樁身密度遠大于樁端土的密度，所以反射波信號會在樁端與軟土界面產(chǎn)生與入射波同相的反射峰，而且信號傳輸過程中的不斷衰減也會導(dǎo)致反射波幅小于樁頭波幅，根據(jù)在20 m處有一明顯小于入射波信號波幅的同相反射，而且信號連續(xù)且光滑，可判定20 m處為完好樁底.中間段未產(chǎn)生與入射波同相波峰，也未產(chǎn)生明顯反相波峰，反射波信號振幅趨向于橫坐標軸，波形連續(xù)而且光滑，說明樁身在0至20 m之間樁身混凝土混合均勻，接樁良好，無裂縫等缺陷；樁身檢測砼波速為4100 m/s，判定樁身混凝土密實度良好.綜合以上，判定此樁無缺陷，完整性好.

由圖4可以看出，樁頭(第一反射波峰)處反射波信號連續(xù)且光滑，說明樁頭完好. 20 m處的反射波峰是因為樁身密度大于樁端土密度而導(dǎo)致的同相反射，此處波幅小于樁頭處的波幅，證明了信號傳輸過程中的不斷衰減，同時發(fā)現(xiàn)此處信號連續(xù)且光滑，說明樁底完好，綜合分析可以判定20 m處為完好樁底.中間段8.19 m處見到與入射波同相的微小反射峰，同相反射說明該處樁身橫截面積變小，反射信號的波幅較小，說明大部分信號繼續(xù)向深處傳播，也證明該處橫截面積變化程度較少，初判此處可能存在輕微缺陷；其他位置的波形基本連續(xù)、光滑，未見同相和反相波峰，說明透射信號未被阻斷并繼續(xù)向深處傳播，結(jié)合土層分布情況，發(fā)現(xiàn)8.19 m處的土層是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，屬于流塑性較大的軟弱土層，預(yù)制樁在施工過程中會因流塑性土中的超孔隙水壓存在或擠土而導(dǎo)致該位置樁身易受橫向力作用而損傷.綜上，判定該樁8.19 m處存在輕微缺陷.

由圖5看出，樁頭(第一反射波峰)處反射信號連續(xù)且光滑，說明樁頭未破損.20 m處未見到樁底反射波峰，說明入射波衰減很快，未能到達樁底處，不能形成樁底同相反射波峰，初步判斷樁身可能存在較大缺陷.中間段5.63 m處存在小于入射波的較大反射波，同相說明樁身橫截面積縮小，反射波幅較大說明橫截面積縮小程度較大，初判該處可能存在較大裂縫，導(dǎo)致樁身連續(xù)程度較大幅度降低，進一步觀察發(fā)現(xiàn)，11.21 m處的反射波同相且波幅小于5.63 m處，并發(fā)現(xiàn)樁頭處波峰、5.63 m處反射波峰和11.21 m處反射波峰間距分別為5.63 m和5.58 m，幾乎呈等距排列，且波幅衰減也較大，因此可判定11.21 m處的同相反射波峰為5.63 m處的缺陷二次反射，說明5.63 m處缺陷較大，入射波到達5.63 m的缺陷處立即反射，未能繼續(xù)向樁底傳輸，所以樁頂未能接收到5.63 m處的樁身反射波信號，結(jié)合土層分布情況，發(fā)現(xiàn)5.63 m處的土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑性大，易發(fā)生擠土導(dǎo)致樁身剪壞，綜合分析，可判定該樁在5.63 m處發(fā)生斷裂.

3 結(jié)論

本文將樁體近似為一維彈性體，依據(jù)一維波動理論，在平截面假設(shè)下，接收和分析錘擊樁頂產(chǎn)生的反射波，因樁身截面積、密度或樁身彈性模量變化導(dǎo)致信號不同，形成接收4的反射波峰與樁頭處波峰同相或反相，確定樁底反射波后，預(yù)估樁身波速，按照同相縮徑及反相擴徑判斷缺陷位置，以某工程樁的三種典型反射波形為例，通過樁頭、樁底和中間段信號分析，得到完整樁判定依據(jù)是反射波信號在樁身長度范圍是連續(xù)和光滑曲線，振幅趨向于橫坐標軸，樁底反射波明顯，中間段沒有與入射波同相和反相的振幅.