談低應(yīng)變反射波法在基樁檢測(cè)中的應(yīng)用

邱麗章

(汕頭公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東汕頭 515041)

樁基礎(chǔ)具有承載能力大、抗震性強(qiáng)、沉降量小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，它能有效地將橋梁自重及其所受荷載通過樁土間的共同作用傳遞到樁周和樁底巖土中。樁基礎(chǔ)質(zhì)量的好壞對(duì)結(jié)構(gòu)安全起到至關(guān)重要的作用，但由于樁基礎(chǔ)屬隱蔽工程，質(zhì)量控制具有不確定性，工程上必須高度重視對(duì)其質(zhì)量的檢測(cè)。低應(yīng)變法反射波法在各種樁基完整性檢測(cè)方法中具有檢測(cè)快速、高效、成本低廉及設(shè)備輕便等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，它是以一維波動(dòng)理論為理論依據(jù)。

1 低應(yīng)變反射波法的原理

一維彈性桿平面應(yīng)力波波動(dòng)理論是低應(yīng)變反射波法的理論基礎(chǔ)，它將樁假定為一維細(xì)長(zhǎng)彈性桿，當(dāng)樁頂面受到縱向力錘擊時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律及虎克定律可得樁的縱向波動(dòng)方程其中，C為縱波波速(E為楊氏模量，ρ為密度)

當(dāng)應(yīng)力波沿樁身傳播遇到不同阻抗分界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射與透射，根據(jù)應(yīng)力波理論和牛頓第三定律可得vI+vR=vT，A1(σ1+σR)=A2σT，根據(jù)波陣面上動(dòng)量守恒條件有 Z1(vI－vR)=Z2vT，其中，分別以下標(biāo)I，R，T表示入射波、反射波及透射波，v，σ分別為應(yīng)力波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和應(yīng)力，由上述方程聯(lián)解可得vR=－FvI，vT=TvI，n= ρ1C1A1/ρ2C2A2，F(xiàn)=(1 － n)/(1+n)，其中，F(xiàn) 為反射系數(shù);T為透射系數(shù);ρCA為廣義波阻抗。

根據(jù)以上原理可以得出樁身完整性的判別標(biāo)準(zhǔn):

1)完整樁:由于樁身不存在阻抗有變化的區(qū)域，即ρ1C1A1=ρ2C2A2，n=1，F(xiàn)=0，被測(cè)波形中只有樁底反射信號(hào)無缺陷反射信號(hào)。當(dāng)樁基為摩擦樁時(shí)，由于樁身材料的ρ1C1遠(yuǎn)大于樁底持力層的 ρ2C2，則 n＞1，F(xiàn) ＜0，vR＞0，可得反射波與入射波同相位;當(dāng)樁基為嵌巖樁時(shí)，由于樁身材料的ρ1C1遠(yuǎn)小于樁底基巖的ρ2C2，n＜1，F(xiàn) ＞0，vR＜0，可得反射波與入射波反相位。

2)擴(kuò)徑類樁:由于 ρ1C1A1＜ ρ2C2A2，則 n ＜1，F(xiàn) ＞0，vR＜0，反射波與入射波反相位。

3)縮徑類樁:包括縮徑樁、離析樁和斷樁，由于 ρ1C1A1＞ρ2C2A2，則 n ＞1，F(xiàn) ＜0，vR＞0，反射波與入射波同相位。

因此，可以利用反射波與入射波的相位情況及幅值的相對(duì)高低來評(píng)價(jià)樁身完整性，通常認(rèn)為如果缺陷處有同向反射信號(hào)且反射波幅值愈高，那么缺陷就愈嚴(yán)重。本文主要探討了反射波法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題以及對(duì)反射波法的一些認(rèn)識(shí)。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)注意的問題

要想準(zhǔn)確地對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，首先要保證采集到的信號(hào)是優(yōu)質(zhì)信號(hào)。好的波形有以下特點(diǎn):波形真實(shí)反映樁的實(shí)際情況，有明顯或較明顯的樁底反射波或有明顯缺陷反射;多次錘擊的波形重復(fù)性好;波形光滑，無干擾信號(hào)，不包含毛刺或振蕩波形;信號(hào)回零，波形最終回歸基線;起始信號(hào)不削波。所以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)排除各種干擾因素，直至采集到有效、高質(zhì)量的波形。

1)樁頭處理。首先，受檢樁檢測(cè)時(shí)混凝土強(qiáng)度應(yīng)至少達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不少于15 MPa。其次，受檢樁應(yīng)鑿除樁頭至設(shè)計(jì)標(biāo)高，且鑿去全部浮漿，露出堅(jiān)硬密實(shí)的新鮮混凝土，樁頂面基本平整，打磨位置平整光滑。如果樁頭浮漿未清除干凈或樁頭混凝土質(zhì)量差，通常情況下得到的是振蕩波形曲線，嚴(yán)重影響測(cè)試信號(hào)的真實(shí)性，從而導(dǎo)致誤判。最后，樁頂外露自由端鋼筋不宜過長(zhǎng)，在錘擊力作用下自由端鋼筋容易產(chǎn)生諧振，使反射信號(hào)疊加上自由端鋼筋的諧振信號(hào)，從而導(dǎo)致誤判。2)傳感器的安裝。傳感器應(yīng)垂直的安裝在平整的打磨點(diǎn)上，所使用的耦合劑應(yīng)盡可能薄，同時(shí)應(yīng)保證傳感器與樁身具有足夠的耦合剛度;對(duì)于實(shí)心樁，傳感器安裝點(diǎn)位于距樁中心約2/3半徑處，對(duì)于空心樁，傳感器安裝點(diǎn)與錘擊點(diǎn)夾角約為90°。3)力錘的選擇和激振方式。不同材質(zhì)和重量的錘，敲擊產(chǎn)生的入射波其脈沖寬度和頻率成分各不相同，而脈沖寬度和頻率成分對(duì)缺陷深度及其程度的識(shí)別精度是不同的。錘頭質(zhì)量較大或剛度較小時(shí)，沖擊入射波脈沖較寬，以低頻成分為主，應(yīng)力波傳播距離較遠(yuǎn)，但對(duì)缺陷的分辨率較低，適用于測(cè)長(zhǎng)樁或?qū)χ邢虏咳毕莸淖R(shí)別。錘頭較輕或剛度較大時(shí)，沖擊入射波脈沖較窄，含高頻成分較多，能提高對(duì)缺陷的分辨率，適用于樁身淺部缺陷的識(shí)別。通常，測(cè)短樁或淺部缺陷應(yīng)采用質(zhì)量輕、錘頭較軟的小錘，測(cè)長(zhǎng)樁或深部缺陷應(yīng)采用質(zhì)量大、錘頭較硬的大錘。

選擇好激振錘后，應(yīng)正確把握好激振的方法，方能采集到高質(zhì)量的波形。把握好激振方法，要特別注意以下兩點(diǎn):1)敲擊力要鉛直集中，盡可能使振動(dòng)模式單一。2)激振能量要適當(dāng)，通常在能看到樁底反射波的前提下盡量小，盡量減少樁周土體參與振動(dòng)，以減少對(duì)波形干擾。

3 反射波法檢測(cè)樁身質(zhì)量的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1)樁身混凝土強(qiáng)度與波速。雖然混凝土的彈性波速與其強(qiáng)度是正相關(guān)的，但并不是簡(jiǎn)單的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，影響波速的因素有骨料的品種、混凝土的配比、入射波頻率和樁周土的影響、樁身是否存在缺陷等。因此，利用反射波法推定樁身混凝土強(qiáng)度是不科學(xué)的，但通過對(duì)同一工地甚至是同一地區(qū)的樁基進(jìn)行大量的比對(duì)分析，就能獲得有規(guī)律的資料，可根據(jù)波速對(duì)樁身強(qiáng)度做出定性判斷。當(dāng)實(shí)測(cè)波速明顯比同一工地樁基平均波速偏低或偏高，應(yīng)引起檢測(cè)人員的高度重視，因?yàn)檫@很可能顯示樁身混凝土強(qiáng)度不足、樁長(zhǎng)不夠或者樁身下部存在嚴(yán)重缺陷。例如某橋梁工程，樁身強(qiáng)度等級(jí)為C25，該工地樁基平均的正常波速為3 800 m/s～4 000 m/s左右，但檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有兩根樁波速明顯偏低，只有3 300 m/s左右，懷疑樁身混凝土強(qiáng)度不足，后來通過抽芯取樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果證明兩根樁混凝土強(qiáng)度不合格。

2)測(cè)試盲區(qū)與淺部缺陷。樁頂以下2 m左右深度范圍內(nèi)是低應(yīng)變反射波法的測(cè)試盲區(qū)，在測(cè)試盲區(qū)應(yīng)力波傳播復(fù)雜，不滿足平面波假設(shè)，信號(hào)干擾大，如果盲區(qū)內(nèi)存在缺陷，由于激振脈沖有一定的寬度，則在脈沖寬度內(nèi)，應(yīng)力波遇到缺陷產(chǎn)生的上行反射波信號(hào)，將與能量較大的入射波重疊在一起，實(shí)測(cè)波形可能會(huì)出現(xiàn)振蕩信號(hào)或者因沖擊脈沖掩蓋淺部缺陷反射波造成漏判。由于在樁基工程中經(jīng)常遇見樁身淺部缺陷，從樁身軸力傳遞規(guī)律可知，該類缺陷位置淺，在荷載作用下最易發(fā)生材料破壞，因此對(duì)工程質(zhì)量危害極大。

通常淺部缺陷有以下三種典型波形:大低頻信號(hào)、明顯的周期反射波形、大低頻疊加周期反射波形，這是明顯的缺陷提示。另外，如果入射脈沖較寬，或首波為非半正弦波或呈明顯不對(duì)稱半正弦波，此時(shí)應(yīng)當(dāng)懷疑是淺部缺陷反射波與首波疊加造成的。

對(duì)于樁身淺部缺陷，可能因入射信號(hào)掩蓋樁頂附近的缺陷反射信號(hào)而導(dǎo)致對(duì)缺陷的漏判，如何避免這種情況的發(fā)生。首先，可以選用靈敏度高、高頻性能好、阻尼比恰當(dāng)?shù)募铀俣葌鞲衅鱽硖岣邔?duì)樁身淺部缺陷的分辨率。其次，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，可以通過降低敲擊力度、增大錘頭硬度、減小錘體質(zhì)量以及在樁頂選擇堅(jiān)硬部位敲擊等措施來增加激振信號(hào)的高頻成分，可以有效提高盲區(qū)內(nèi)缺陷的識(shí)別精度，例如使用能產(chǎn)生較高頻率脈沖的脆性尼龍手錘，甚至是鋼筋頭進(jìn)行輕敲，可以很好地分辨出淺部缺陷。

3)樁周土的影響。由于樁周土對(duì)樁身中應(yīng)力波的傳播具有阻力作用，樁身應(yīng)力波所到之處激發(fā)出的土阻力波能引起樁身質(zhì)點(diǎn)反向振動(dòng)，從而使應(yīng)力波發(fā)生指數(shù)衰減。因此，利用反射波幅值進(jìn)行缺陷定性分析會(huì)使誤差增大，應(yīng)力波衰減嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)樁身質(zhì)量的誤判。

實(shí)踐證明，不同的土層狀況對(duì)波形影響各不相同，土層性質(zhì)對(duì)樁中波傳播特性的影響很大。當(dāng)軟弱土層中存在堅(jiān)硬土夾層時(shí)，波形曲線在堅(jiān)硬土層位置會(huì)出現(xiàn)反向反射信號(hào)，容易得出擴(kuò)頸的錯(cuò)誤結(jié)論;當(dāng)較堅(jiān)硬土層中存在軟弱土夾層時(shí)，波形曲線在軟弱土層位置會(huì)出現(xiàn)同向反射信號(hào)，容易得出缺陷的錯(cuò)誤結(jié)論。因此在檢測(cè)過程中要根據(jù)實(shí)測(cè)波形和工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、對(duì)樁基受力的要求、地質(zhì)資料、施工記錄、成樁工藝等方面進(jìn)行綜合分析評(píng)定。

4 結(jié)語

盡管低應(yīng)變反射波法理論上已日臻成熟，但其仍然是一項(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的檢測(cè)技術(shù)，很大程度上需要依靠檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)去分析評(píng)定，這就要求基樁檢測(cè)人員不僅要具備扎實(shí)的理論知識(shí)，還應(yīng)有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在檢測(cè)過程中注重每一個(gè)細(xì)節(jié)，才能對(duì)采集到的波形曲線作出公正、科學(xué)、客觀的分析判斷，以確保工程質(zhì)量。

［1］JGJ 106-2003，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］羅騏先.樁基工程檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］陳 凡，徐天平.基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，2003.