低應變波形曲線分析

楊 鵬

(攀枝花天譽工程檢測有限公司,四川攀枝花617023)

近年來，隨著高層建筑的發展，樁基作為主要承重部分，其質量的好壞倍受關注，樁基的無損檢測也獲得了廣泛應用。低應變反射波法是在20世紀70年代發展起來的，它以方便快捷、成本低、方法可靠等優點應用于樁基的完整性檢測。

1 原理

反射波法源于應力波理論，基本原理是在樁頂進行豎向激振，彈性波沿著樁身向下傳播。在樁身明顯存在波阻抗界面(如樁底、斷樁或嚴重離析等部位)或樁身截面積變化(如縮頸或擴頸)部位，將產生反射波。經接收、放大濾波和數據處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息。據此計算樁身波速、判斷樁身完整性和混凝土強度等級。

當樁嵌于土體中，將受到樁周土的阻尼作用，樁的動力特性滿足一維波動方程。

其波動方程為：

式中：c是彈性波縱波傳播速度，它是由材料常數ρ和E所決定的常值。

2 各種完整樁的波形

灌注樁樁型一般分為摩擦樁和嵌巖端承樁兩種，其在低應變反射波法的圖示見圖1。

(a)完整樁波形 (b)摩擦樁波形 (c)嵌巖端圖1 低應變反射波

(1)當樁為摩擦樁時，樁身阻抗大于樁底持力層土層的阻抗，此時樁底反射波速度符號和入射波符合一致，樁底處反射波應力的速度的幅值低于入射波,隨著樁底土質變軟,(如樁底沉渣)樁底土的波阻抗變得更小,此時除樁底反射波速度符號和入射波符合一致外,反射波幅值也變大。當把樁底土波阻抗小到可以忽略時，則可有：下行的壓力波變上行拉力波，入射波全反射，質點速度加倍。由此顯示樁底反射波的幅值變得更大，人們可以利用其強弱定性確定端承樁的沉渣厚薄。

(2)當端承樁和嵌巖端承樁的樁底巖土波阻抗逐漸增大時，反射波的幅值變小，若樁底巖土波阻抗大于樁身波阻抗時，此時樁底反射波符合與入射波反向。由此人們利用這一特征可以定性判斷樁尖打入堅硬持力層的程度及深度。

3 缺陷樁的波形曲線

3.1 施工中造成的斷樁波形

在施工中常見有三種斷樁形式，不同的斷樁形式所反映的反射波形不同。

(1)深部斷裂：近似于摩擦樁的沉渣樁樁底反射，有高幅值的樁間反射，反射波相位與初始入射波相同，往往可見到2次或3次，但按平均波速算樁長卻遠比設計樁長要短，或按設計樁長算波速遠大于一般樁的波速，如按常規公式2L/△t計算后得到的Vp達到4 300 m/s以上，這時就應該考慮到可能是樁基未打到設計的深度，或者是樁在深部有斷樁現象(圖2(a))。

(2)樁中部斷裂：表現在反射波曲線的多次等周期衰減，反射曲線、反射子波的第一子波相位由于是高阻抗材料傳向低阻抗的水、空氣或充泥材料，故其相位與樁的初始入射波同相位，而后續波由于從低阻抗的軟材料進入高阻抗的硬材料，故其相位表現為與初始入射波相反。我們可以從各反射波的等距峰△f值來計算斷裂處的高度(圖2(b))。

(3)樁淺部斷裂：是指樁的斷裂部位在5 m內，這往往是由于機械開挖或開挖旁側堆土所致,它的反射波曲線表現形式與樁中間斷相似，但峰很密，幅更小，有時往往疊加在一個低頻包絡線上，這是由于受樁身下部的振動或工地50 Hz低頻影響之故，此類波形的衰減也很慢(圖2(c))。

(a)深部斷樁波形 (b)中部斷樁波形 (c)淺部斷樁波形圖2 有缺陷樁的反射波形

3.2 成孔事故中造成的縮徑或擴徑

(1)縮徑：當樁身出現縮徑時，縮徑的上界面，其A1>A2，由VR和VI同號，表現為反射波相位與初始入射波同向，但在縮徑的下界面,由于VR和VI為反向，故后續反射波的相位與初始入射波相反。此類由于縮徑引起的反射波由于界面波阻抗差異大，故反射波形清晰、完整而直觀，如嚴重縮徑者可見到多次反射波(圖3(a))。

(2)擴徑：擴徑樁所引起界面反射波的特征與縮徑相反, 當擴徑的上界面波入射后,壓縮波表現為拉伸波,VR與VI相差一個負號,故第一反射波與初始入射波相反號;當應力波進入擴徑的第二界面即底界面時,VR和VI同號，反射波的后續波與初始入射波表現為同方向。但由于擴徑的形態各有不同,其反射波的表現也將有差異，在嚴重擴徑時,也會見到多次反射，而往往下界面的同向反射波表現得更清晰一些(圖3(b))。

(a)縮徑樁波形 (b)擴徑樁波形圖3 有縮徑或擴徑的樁的反射波形

3.3 灌注不當造成空洞-離析樁

(1)空洞樁：對于空洞樁，由于空洞上界面是從樁身材料高波阻抗Z1傳向低波阻抗Z2的土層中，故樁間的第一反射波相位與入射波同向，但空洞的下端由于軟材料低阻抗Z1

進入硬材料(樁體)高波阻抗Z2，故其后續波的相位與樁初始入射波反向。對于此類缺陷因空洞的范圍大小，而直接影響反射波幅值，但均可見到樁底反射(圖4(a))。

(2)離析樁：樁間出現離析或膠結不良的缺陷,從理論上分析與縮頸的類似,即在離析的第一界面反射波的相位與初始入射波相位相同,而在離析的底界面的反射波與初始波相位相反,但由于離析的程度差異及材料密度的不同,往往會引起應力波在這缺陷層面和層間的復雜反射、折射、透射和散射，表現在層間的能量的強吸收，因此在反射波形上表現為波幅值降低，波形較亂，甚至于找不出明顯的同向和反向的子波(圖4(b))。

(a)空洞樁波形 (b)離析樁波形圖4 有空洞、離析樁的反射波形

4 結論

低應變波反射法在建筑工程中得到了廣泛的應用，本文是對大量工程實踐總結的結果，這些曲線可以為我們樁基檢測人員提供參考。由于樁及樁周圍巖石的關系復雜，在實際檢測過程不可盲目照搬，還應根據不同的情況進行判斷。

[1] JGJ 106-2003建筑基樁檢測技術規范[S]

[2] 劉金礪.樁基設計施工與檢測[M]. 中國建材工業出版社，2001

[3] DBJ 08-218-1996鉆孔灌注樁動力測試技術規程[S]