低應變法在鐵路橋梁嵌巖樁檢測中的應用分析

胡在良，李晉平，董承全，熊昌盛，孟軍濤

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

嵌巖樁以其樁端嵌入巖層而得名，在我國已被廣泛應用于鐵路、建筑、市政、公路、港口碼頭等工程領域[1]。由于嵌巖樁承載力較高、土阻力高、長徑比小，且受施工工藝、地質界面等因素的影響，采用低應變法檢測時，應力波受到的干擾信號復雜，如何科學、準確地進行嵌巖樁完整性評價，仍是低應變法檢測的難點。

在鐵路工程中，樁徑≥2 m或樁長＞40 m或復雜地質條件下的基樁，需要埋設聲測管進行聲波透射法檢測，當樁長＞40 m且樁徑＞2 m時，通常采用低應變法檢測[2]。本文從低應變法檢測原理、嵌巖樁低應變波形特點等方面分析，并結合典型工程實例對檢測常見問題進行了分析探討。

1 低應變法檢測原理簡介

低應變法檢測的基本原理是在樁頂施加激振力產生應力波，應力波沿樁身傳播過程中，遇到蜂窩、夾泥、離析、斷樁等缺陷及擴縮徑和樁底時，由于波阻抗發生變化，將產生反射波。通過分析反射波的時程、相位、幅值和波形特征，判定樁的完整性。

1.1 波動方程

將樁視為一維彈性直桿，由一勻質材料構成，各物理力學參數如彈性模量E、質量密度ρ為常數，且橫截面A在受力時保持平面，忽略樁內外的阻尼和表面摩擦力的影響，樁周和樁端的約束力和支承作用，由樁端一個彈簧來代替樁的力學模型。當桿的頂部受到一激振力f(t)后，桿內產生縱向應力波，由桿的頂端向桿的底部傳播。一維波動方程為[3-5]

式中，ρ為質量密度;E為桿的彈性模量;u為x方向質點位移。令式(1)變換為

式(2)一維波動方程的達郎貝爾解為

式(3)中，f，g分別為(x－ct)，(x+ct)的任意函數。f(x－ct)為下行波，沿 x軸向下正向傳播，g(x+ct)為上行波，沿x軸向上負向傳播，應力波傳播速度為c。

1.2 缺陷類型與位置判定

當彈性直桿的波阻抗Z=ρcA發生變化時，應力波在桿中的傳播將會產生反射、透射和折射。假設樁中某處阻抗發生變化，當速度入射波 vi從介質1(阻抗Z1)進入介質2(阻抗 Z2)時，將產生速度反射波 vr和速度透射波vt，由界面處力平衡及速度連續條件得[5]

Z1＞Z2時，速度反射波 vr和速度入射波 vi同號(同相位)。當樁下部發生了斷樁、離析或縮頸等缺陷時，反射波與入射波同相位。

Z2＞Z1時，速度反射波 vr和速度入射波 vi異號(反相位)。當應力波由軟材料向硬材料方向傳播時，或者應力波由截面積小的向截面積大的方向傳播，樁出現了擴徑或樁底嵌固的情況時，反射波和入射波反相位。

低應變反射波法是根據反射波與入射波的相位以及應力波傳播時間進行完整性判定。其中缺陷的程度根據缺陷反射波的幅值定性確定，缺陷位置根據反射波的時間tx由式(6)確定。缺陷樁典型時域曲線如圖1。

式中，Lx為缺陷深度。

圖1 缺陷樁典型時域曲線[6]

圖1 中，橫坐標為時間，單位為ms，縱坐標為振動幅值，單位為mm/s。L為樁長，c為應力波波速。

2 嵌巖灌注樁低應變法檢測常見問題

2.1 嵌巖樁承載性狀分析

人們的傳統觀念和國內外的許多教科書都曾把嵌巖樁視為端承樁(柱樁)。資料分析表明[1]，嵌巖樁即使是在無覆蓋層條件下，或屬于長徑比＜5的短樁，也并非一律都是端承樁，而較長的嵌巖樁大多屬于摩擦樁，很長的嵌巖樁則完全屬于摩擦樁。

文獻[7]收集了不同地質條件下灌注型嵌巖樁的荷載試驗資料，分析表明[1]，所有樁的側阻力分擔荷載比都超過了60%，其中大部分在80%以上，端阻分擔的荷載只占總承載力的一小部分，屬于摩擦樁或端承摩擦樁。嵌巖樁的端阻力分擔樁頂極限荷載之比(Qsu/Qu)隨嵌巖深度與樁直徑之比(hr/d)增大而急劇減少，嵌巖愈深，端阻的貢獻愈小，當樁身的彈性模量與巖石彈性模量之比甚小(hr/d＞3)時，端阻的貢獻可接近于零。

因此，對于嵌巖樁的質量控制，并非一律按端承樁對待，應結合設計資料、檢測與驗收標準進行基樁施工質量評價。

2.2 嵌巖樁低應變法檢測波形特點

1)樁底反射不明顯

通常認為，當樁底巖層波阻抗大于樁身波阻抗，樁底信號呈反向特征，當樁底巖層波阻抗接近樁身波阻抗，樁底反射不明顯，當樁底存在沉渣、嵌巖效果不好或未入巖，樁底呈同向反射。

對于嵌巖樁，由于應力波傳遞、地質界面反射、樁身缺陷及截面變化等因素，導致傳到樁端的應力波能量較少，很難測到樁底反射信號。通常嵌巖樁樁端巖層較好，波形具有明顯入巖反射信號，樁底反射也不明顯。

2)小長徑比樁波形振蕩信號明顯

通常情況下，采用低應變法測試較短的大直徑灌注樁時，常出現波形振蕩信號。當檢測經驗不足時，容易與缺陷信號混淆，造成誤判。

資料分析表明[3，6]:低應變法的理論基礎以一維線彈性桿件模型為依據，受檢樁的長徑比、瞬態激勵脈沖有效高頻分量的波長與樁橫向尺寸之比均宜 ＞5。當激勵脈沖頻譜中的有效高頻諧波分量波長λ0與被檢基樁的直徑D之比較小時(λ0/D＜5)，一維縱波桿件傳播的問題轉化為應力波沿具有一定橫向尺寸柱體傳播的三維問題;當激勵脈沖的波長與樁長相比較大時，樁身的運動更接近剛體，波動性狀不明顯，對準確探測樁身缺陷、特別是淺部缺陷深度產生不利影響。有關資料表明，在以手錘敲擊的大直徑樁低應變測試中，常出現一種與測量系統頻率特性無關的高頻干擾，樁徑愈大而脈沖窄時尤其嚴重。

長徑比小的大直徑樁低應變干擾信號通常比較明顯。應采用合適的頻率測試，分析時要考慮三維效應及高頻信號干擾，并結合設計、施工資料綜合分析。

3)樁徑及樁周土層變化時信號復雜難識別

當樁身存在明顯同向反射時，通?？紤]是否由缺陷引起。但大量檢測經驗表明，當樁頂為擴大頭而樁身漸擴后回縮到設計樁徑時，以及樁周土層復雜時，會出現明顯同向反射，部分伴有周期性振蕩特征，與缺陷反射特征相似，容易造成誤判，給樁身完整性評定帶來一定的困難。

資料表明[6]，當樁身截面(阻抗)漸變或突變，在阻抗突變處的一次或二次反射常表現為類似明顯擴徑、嚴重缺陷或斷樁的相反情形，從而造成誤判。

4)低應變檢測的局限性

低應變法操作簡便、檢測速度快，在工程基樁檢測中得到廣泛應用。但是，目前仍無法做到定量分析，無法準確區分縮頸、離析、夾泥等缺陷，對缺陷的大小與范圍僅能作定性評價，經驗性較強，分析誤差大。

3 實例分析

3.1 實例 1

某山區鐵路涵洞1－3#基樁，設計樁長11 m，設計樁徑1.0 m，混凝土強度等級C20，挖孔灌注樁，設計為端承樁，設計最小嵌巖深度3.0 m，該地區地質條件復雜，巖溶、裂隙發育。低應變法檢測結果表明，該樁樁底同向信號強烈，其樁底信號幅值為首波脈沖幅值的25%，實測波速3 613 m/s，實測低應變時域曲線如圖2所示。

圖2 某涵洞1－3#樁實測時域曲線

針對該測試波形，初步判定樁底沉渣過厚或持力層軟弱，并立即組織開展鉆芯法驗證。為驗證樁端質量，鉆芯孔深度達16.1 m，鉆芯結果表明:該樁實際施工樁長10.85 m，在 0～10.85 m段芯樣良好、骨料均勻，10.85 m之下為軟塑、棕黃色黏土夾少量碎石，樁端持力層巖土性狀達不到設計要求，見圖3。為綜合分析該樁施工質量，對鉆芯芯樣進行了抗壓強度試驗，混凝土芯樣試件抗壓強度代表值為20.5 MPa，強度符合設計要求?？紤]到樁端未進入設計要求的持力層，影響承載力的發揮，綜合評定該樁為Ⅳ類樁。

圖3 某涵洞1－3#樁鉆芯芯樣

對于嵌巖樁，無論是承載力以摩擦為主還是端承為主，其樁端巖土層較為堅硬、強度較高，則樁端巖土波阻抗高于或接近樁身波阻抗，樁端呈現反向反射或樁底不明顯。當采用低應變法檢測嵌巖樁質量時，如果其樁底反射信號呈明顯同向特征，應懷疑其樁端混凝土質量或持力層巖土性狀是否滿足設計要求。

3.2 實例2

某山區鐵路特大橋16－4#基樁，設計樁長6 m，設計樁徑1.5 m，混凝土強度等級C25，挖孔灌注樁，采用聲波透射法與低應變反射波法對比檢測，低應變時域曲線見圖4。

圖4時域曲線中，存在振蕩信號，且無明顯樁底反射，經聲波透射法檢測，該樁樁身混凝土質量良好，無缺陷，為Ⅰ類樁，可見低應變時域信號的振蕩特征并非由樁身缺陷引起。結合設計資料分析表明，該樁長徑比等于4，低應變信號的三維效應明顯，且高頻干擾信號明顯，存在波形振蕩信號。

圖4 某特大橋16－4#樁實測時域曲線

當淺部巖土層為巖層時，橋梁基樁通常采用長徑比小的短樁，樁長小、樁徑大，采用低應變法檢測時高頻干擾信號較強，波形復雜，檢測時宜采用合理的測試頻率，減少干擾信號的影響，并結合施工與地質資料綜合分析，防止誤判。

3.3 實例 3

某沿海鐵路特大橋467－5#樁，設計樁長37.5 m，設計樁徑1.5 m，混凝土強度等級C30，鉆孔灌注樁，地質資料從上至下依次為:流塑狀淤泥質黏土、硬塑狀粉質黏土、軟塑狀粉質黏土、軟塑狀淤泥質黏土、軟塑狀黏土、弱風化含礫凝灰巖(基本承載力600 kPa)，設計最小嵌巖深度3.1 m，采用低應變法檢測，實測低應變時域曲線見圖5。

圖5 某特大橋467－5#樁實測時域曲線

圖5 (a)為初次檢測(缺陷處理前)低應變波形曲線，樁底信號微弱，實測波速3 968 m/s，5.2 m處存在明顯同向反射，初步判定該樁在5.2 m處存在缺陷。經核查該樁灌注記錄，在該處混凝土灌注方量小于設計方量。根據低應變法檢測結果進行鉆芯法驗證，在靠鋼筋籠附近進行鉆孔，其中一個孔在5.2～5.8 m段芯樣破碎，其余兩個孔芯樣良好，因此該樁局部存在缺陷。針對該樁的缺陷位置、程度，施工單位進行了缺陷處理，達到測試齡期要求后進行了低應變法復檢，波形見圖5(b)。

與圖5(a)時域曲線相比，經過缺陷處理后，圖5(b)中467－5#樁5.2 m處同向反射信號消失，并且樁底反射比處理前明顯，具備典型完整嵌巖樁波形特征。同時，隨著齡期增長及缺陷的消除，低應變法檢測波速略有增長，實測波速為4 000 m/s。

3.4 實例4

某沿海鐵路特大橋472－5#樁，設計樁長34.5 m，設計樁徑1.25 m，混凝土強度等級 C35，鉆孔灌注樁。地質資料表明，在0～25.6 m段為泥質黏土及粉質黏土，無明顯地質界面變化，在25.6～27.1 m段為強風化凝灰巖，在27.1～34.5 m段為弱風化凝灰巖，實測低應變時域曲線見圖6。

圖6 某特大橋472－5#樁實測時域曲線

圖6 中時域曲線具有以下特點:2L/c時刻前，在t=5.1 ms處存在明顯同向信號，t=12.7 ms處呈反向特征。該樁采用聲波透射法與低應變法對比檢測，聲波透射法檢測結果表明，樁身質量良好，為Ⅰ類樁，經核查施工、地質資料及灌注記錄，該樁采用沖擊鉆施工，樁頂以下0～25.6 m段為軟弱土層，在9～10 m段混凝土超方。取該場地低應變平均波速4 000 m/s進行分析，在低應變時域曲線t=5.1 ms(10.2 m)處，應為擴徑縮回正常樁徑時引起的反射信號，在t=12.7 ms(25.4 m)處，為粉質黏土與強風化凝灰巖地質界面，波阻抗增大，波形呈反向特征?？梢?，472－5#樁由于擴徑及地質界面均引起波形反射，且樁底信號不明顯。

對于上部土層存在深厚軟土覆蓋層的嵌巖樁，淺部多為淤泥質黏土及黏土類地層，基本承載力低，采用沖(鉆)鉆孔法施工時，樁身易產生擴縮徑。此類地質條件下的嵌巖樁用低應變法檢測時，在淺部易出現擴徑及地質界面的反射特征，當混凝土質量良好時，仍出現波阻抗變化，產生同相信號，不利于樁身完整性判定。因此，宜結合工程地質資料及灌注記錄，及多根樁波形特征進行綜合評判。

4 結語

本文列出了低應變法檢測嵌巖樁的常見問題，針對影響波形判定的有關因素進行分析，并結合近年來，在鐵路橋梁嵌巖樁低應變法檢測的典型波形進行分析與探討。

1)嵌巖樁樁端巖層較硬，通常情況下樁底反射不明顯或呈輕微反向特征，如果同一工地基樁樁底反射普遍不明顯，或呈輕微的同向反射，而個別樁卻有明顯同向反射時，應懷疑其樁底有缺陷或持力層不滿足設計要求，應進行必要的鉆芯驗證。

2)長徑比小的嵌巖樁采用低應變法檢測時，三維效應及高頻干擾明顯，宜采用不同頻率的設備進行激振，并結合施工及地質資料綜合評判。

3)樁徑與土層變化容易引起波形反射特征，嵌巖樁低應變法完整性檢測時，應充分結合工程施工和地質資料進行分析，必要時應采取相應措施進行驗證，提高檢測精度。

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