李光旭

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

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探討低應(yīng)變反射波法在樁基工程檢測中的局限性

李光旭

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

摘要：低應(yīng)變反射波法具有其固有的局限性，結(jié)合低應(yīng)變反射波法原理和實(shí)際工程案例，探討低應(yīng)變反射波法在樁基樁身完整性檢測中的局限性。

關(guān)鍵詞：低應(yīng)變反射波法；地層；樁頭；樁身截面

1檢測原理

假定基樁為一維線彈性桿，通過在樁頂施加激振信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波從樁頂向下傳播。樁長度為l，橫截面積為A，樁身材料密度為ρ，彈性波速為c，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為V，樁身截面廣義波阻抗為Z=ρcA。樁身中波的反射與透射如圖1所示。

圖1　基樁低應(yīng)變法檢測反射波走時(shí)示意圖

設(shè)在樁身某缺陷處存在突變界面i，參數(shù)由Ai、ρi、ci、Zi變 為Ai+1、ρi+1、ci+1、Zi+1。入射波為F1，對應(yīng)波速為V1；反射波為FR，對應(yīng)波速為VR；透射波為FT，對應(yīng)波速為VT。I、R、T分別 表示入射波、反射波和透射波，Zi、Zi+1分別為反射界面上下樁身的廣義波阻抗。

在突變界面上要求質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度VI、VR、VT滿足連續(xù)條件，應(yīng)力波滿足平衡條件以及根據(jù)波動(dòng)方程理論，有下列關(guān)系：

VI+VR=VT

(1)

FI+FR=FT

(2)

FT-FI=Z1·(VI-VT)

(3)

FT=Zi+1·VT

(4)

定義廣義波阻抗比αi=Zi+1/Zi，反射系數(shù)，透射系數(shù)γR=(1-αi)/(1+αi)。由式(1)～式(4)可得

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，如果在樁頂要接收到反射波，必須滿足。對于完整樁，樁身范圍內(nèi)波阻抗無差異，γR=0，所接收到的反射波基本上是樁底反射波信號(hào)；對于缺陷樁，即樁身范圍內(nèi)存在波阻抗差異，反射系數(shù)γR值在0～±1范圍內(nèi)變化取值。因此就可以根據(jù)反射系數(shù)的正負(fù)來判斷樁身缺陷的性質(zhì)。

當(dāng)γR>0時(shí)，反射波與入射波同相位，若ρici=ρi+1ci+1、Ai+1ρi+1ci+1Ai+1， 即樁身截面無變化，應(yīng)力波由高強(qiáng)度材料向低強(qiáng)度材料傳播，類似于樁身斷裂、離析、夾泥或摩擦樁樁底。

當(dāng)γR<0時(shí)，反射波與入射波反相位，若ρici=ρi+1ci+1、Ai+1>Ai，即樁身材料強(qiáng)度不變，應(yīng)力波由小截面向增大的截面?zhèn)鞑?，類似于擴(kuò)徑樁的情況；若Ai+1=Ai、ρici<ρi+1ci+1即樁身截面無變化，應(yīng)力波由低強(qiáng)度材料向高強(qiáng)度材料傳播，類似于嵌巖樁樁底。

2局限性分析

在實(shí)測工作中，由于施工因素、地質(zhì)因素、測試技術(shù)等原因，實(shí)測曲線比理論曲線要復(fù)雜得多，導(dǎo)致接收信號(hào)干擾嚴(yán)重，波形復(fù)雜，難以確定樁身完整性類別。在激振信號(hào)合理的前提下，目前低應(yīng)變反射波法實(shí)測中仍會(huì)受到地層干擾、樁頭干擾和樁身截面干擾等，導(dǎo)致無法判斷樁端反射波或缺陷反射波，限制了低應(yīng)變反射法在樁基檢測中的應(yīng)用。

3實(shí)例解析

3.1　地層影響

當(dāng)應(yīng)力波沿樁身向下傳播時(shí)，在不同阻抗的地層分界面也會(huì)產(chǎn)生反射，疊加在接收信號(hào)中，尤其是當(dāng)由高阻抗地層向低阻抗地層傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類似樁身缺陷的同向反射波信號(hào)，嚴(yán)重影響對樁身完整性的正確判斷。如草地坡渡槽的18-1號(hào)樁，在距樁頂7.1m位置有一明顯的同向反射(見圖2)，推測該樁存在較嚴(yán)重的離析，初判該樁為Ⅲ類樁。后經(jīng)鉆芯法驗(yàn)證檢測，鉆取出的混凝土芯樣連續(xù)完整，該樁樁身完整，判為Ⅰ類樁。

查閱施工記錄和地質(zhì)資料，該樁7.1m左右上方為中風(fēng)化灰?guī)r層，下處為中風(fēng)化泥巖層，波阻抗差異大，故判定圖1中的同向反射是灰?guī)r泥巖分界面造成的。

圖2　18-1號(hào)樁低應(yīng)變時(shí)程曲線

3.2　樁頭影響

在實(shí)測過程中，經(jīng)常會(huì)遇到試樁樁頭會(huì)高出地面，有的甚至高出1～2m。當(dāng)應(yīng)力波在樁頭激發(fā)后沿樁身向下傳播，在地面處會(huì)形成一波阻抗分界面而產(chǎn)生反射，到樁頂面再次產(chǎn)生反射，導(dǎo)致接收的波形為一震蕩信號(hào)，無法判斷樁身完整性。將樁頭鑿至地面處再進(jìn)行檢測，恢復(fù)正常。由此可見，樁頭高于地面時(shí)對低應(yīng)變反射波法影響很大，需將樁頭鑿至于地面平齊再進(jìn)行檢測。

3.3　樁身截面的影響

在水系發(fā)育區(qū)域和巖溶發(fā)育區(qū)域，機(jī)械沖擊成孔樁在成孔時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生塌孔，在澆灌混凝土?xí)r會(huì)發(fā)生超灌現(xiàn)象，導(dǎo)致成樁后樁身截面多變或突變。在進(jìn)行低應(yīng)變反射波法檢測時(shí)，接收波形復(fù)雜多變，無法判斷樁身完整性。如麻桿寨渡槽位于農(nóng)田區(qū)域，水系發(fā)育，淤泥層和泥夾石層厚度達(dá)8～10m，成樁方式為機(jī)械成孔灌注樁。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)大量樁的反射波信號(hào)雜亂。如46-1號(hào)和47-1號(hào)樁，時(shí)程曲線可見多處異常同向反射(圖3和圖4)，后經(jīng)鉆芯法驗(yàn)證檢測，樁身均完整。查閱該工地施工日志和地質(zhì)資料，大批樁均存在塌孔和超灌現(xiàn)象，樁身已不符合一維彈性桿理論模型，低應(yīng)變法無法適應(yīng)該工地的樁身完整性檢測，需變換樁基檢測方法。

圖3　46-1號(hào)樁低應(yīng)變時(shí)程曲線

圖4　47-1號(hào)樁低應(yīng)變時(shí)程曲線

4結(jié)語

(1)樁周地層變化形成波阻抗分界面，在分界面上易產(chǎn)生反射疊加在接收信號(hào)上形成干擾，導(dǎo)致對樁身完整性誤判或無法判斷。

(2)樁頭高過地面，可能在地面形成多次反射疊加在接收信號(hào)上形成干擾，無法清晰拾取樁身反射波，導(dǎo)致對樁身完整性誤判或無法判斷。

(3)在水系發(fā)育區(qū)域沖擊成孔灌注樁易塌孔或超灌，樁身截面變化無常，與一維彈性桿理論模型不符，導(dǎo)致接收信號(hào)復(fù)雜多變，導(dǎo)致對樁身完整性誤判或無法判斷。

所以，根據(jù)接收的單一波形進(jìn)行判識(shí)存在一定的局限性和不確定性。在實(shí)際樁基工程中，應(yīng)根據(jù)地勘資料確定是否采用低應(yīng)變反射波法，同時(shí)需要檢測者有豐富的檢測經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)施工記錄、地質(zhì)資料進(jìn)行綜合判別，在條件允許時(shí)可增加鉆芯法抽檢頻次，必要時(shí)需更換檢測方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳凡，徐天平，陳久照，等．基樁質(zhì)量檢測技術(shù)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

收稿日期：2015-01-12

中圖分類號(hào)：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2015)08-0126-02