低應變法檢測嵌巖灌注樁樁端性狀的實例分析

張雄水

(1.福建省建筑科學研究院 福建福州 350025;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

引 言

嵌巖灌注樁以其經濟性、高效性廣泛地應用于工程建設中。國內對于其承載特性及荷載傳遞機制都已有所研究，特別是對于嵌巖段側阻力、極限端阻力發揮機理和嵌巖樁的破壞特性。對于高承載力的嵌巖樁，往往不允許任何一根樁承載力失效。在外荷載作用下，嵌巖樁承擔的大部分荷載由樁端傳遞給下覆基巖，其余部分由樁側分擔，并傳遞給樁周圍巖體[1～4]。在樁身強度滿足要求的情況下，樁端阻力的發揮取決于樁端性狀，包括樁端混凝土質量、樁端沉渣厚度及樁端持力層性狀，顯然樁端性狀對于高承載力嵌巖樁起著至關重要的作用，如何高效準確辨別樁端性狀成了樁基檢測的首要任務。

在實際的嵌巖灌注樁低應變檢測工程中，應力波在傳遞至樁端的過程中，在阻抗或樁周土阻力變化界面將產生多次反射及透射，反射波的相互疊加使樁端附近位置的實測波形變得復雜，難以分析判斷。單純從樁端同向或反向反射來判斷嵌巖樁樁端性狀可能造成誤判。規范[5]中對于嵌巖樁，樁底時域反射信號為單一反射波且與錘擊脈沖信號同向時，應采取鉆芯法、靜載試驗或高應變法核驗樁端嵌巖情況。以下通過對多個嵌巖灌注樁低應變檢測進行實例分析，根據不同曲線性狀，分別對低應變法判斷的嵌巖樁樁端性狀進行核驗，為正確評價樁基質量提供實例補充。

1 低應變法的檢測原理分析

低應變反射波法檢測是以一維波動方程為理論基礎。把樁當為連續均質的彈性桿，研究樁頂在動態任用下，彈性桿的縱向波動，以一維波動理論為基礎的樁土體系動態響應。

在樁頂施加激振力后，產生的應力波沿樁身以波速C向下傳播，應力波通過樁阻抗Z(Z=ρCA，ρ為樁的質量密度，C為波在樁身內的傳播速度，A為樁的橫截面積)變化時，一部分應力波產生反射向上傳播，另一部分應力波產生透射向下傳播。Z1，Z2表示上下部分樁的波阻抗，V為質點的運動速度，腳碼I、R、T表示入射、反射、透射。

在樁端混凝土與樁端的界面上:

(1)當Z1＜Z2時，說明波阻抗變大，反射波與入射波反向。在嵌巖樁低應變的曲線中，反映為樁端位置反向反射明顯，表明樁端嵌入良好的基巖中。

(2)當Z1=Z2時，入射波完全透射，無反射波。在嵌巖樁低應變的曲線中，反映為無樁底反射。

(3)當Z1＞Z2時，說明波阻抗變大，反射波與入射波反向。在嵌巖樁低應變的曲線中，反映為樁端位置同向反射明顯，表明樁端嵌巖性狀較差。

2 工程實例及分析

2.1 實例1

福州某商品房小區2#樓，框剪結構，基礎形式采用沖(鉆)孔灌注樁，設計要求樁端持力層為中風化花崗巖。樁身砼強度為 C35，場地土層簡況自上而下為:①中細砂，層厚約 9.5m;②淤泥夾砂，層厚約4.3m;③殘積砂質粘性土，層厚約2.6 m;④強風化花崗巖，層厚約5.6 m;⑤中風化花崗巖，巖石單軸飽和抗壓強度平均值91.34 MPa。

對39#樁進行低應變檢測，實測曲線如(圖1)，直觀地從實測曲線上可以看出L/C(約10m附近)有類似擴徑的反射，2L/C位置附近同向反射明顯，幅值一般。文獻[5]提出的樁長L/2處阻抗增大會引起的二次反射的疊加而使得樁端位置反射波正向幅值變得很大。考慮過二次反射的疊加，判斷樁端嵌巖性狀尚可。對該樁進行鉆芯法試驗核驗，試驗結果見(圖2)表明樁底無沉渣，持力層為中風化巖，符合設計要求。

圖1 39#樁低應變實測曲線

經比較，該樁附近還有不少樁的實測曲線都有出現類似性狀，而106#樁樁端反射最為明顯，實測曲線如(圖3)。

圖2 39#樁鉆芯法芯樣照片

圖3 106#樁低應變實測曲線

可以看出L/C(約10m附近)有類似阻抗增大的反射，2L/C位置附近同向反射明顯，但同向反射的脈沖較寬且幅值較高。判斷即使考慮過二次反射的疊加，樁端性狀也有可能存在嵌巖不良的情況。建議進行鉆芯法試驗，試驗結果表明在樁端位置存在厚度為38cm的沉渣，樁端持力層為中風化巖，見(圖4)。顯然樁端脈沖寬且幅值較高的反射，是由二次反射的疊加和樁端過厚的沉渣共同影響造成的。

圖4 106#樁鉆芯法芯樣照片

對91#樁進行低應變法檢測，根據該場地低應變法檢測及與鉆芯法試驗的比對，該工程在同樣的砼強度條件下，樁身混凝土的波速在3700～3800m/s范圍內。根據設定的波速及建設方提供的樁長進行測試，實測曲線見(圖5-a)，從實測曲線可以看出在設定的波速條件下，2L/C位置附近同向反射明顯，單從曲線可認為樁端嵌巖情況不良，但在2L/C位置后有一類似入巖的反射。與其他樁進行比對筆者認為后一反射為樁端入巖反射，在確認過施工樁長后調整了波速，見(圖5-b)，調整后波速為3000m/s比場地的平均波速3700m/s，低了18.9%。初步判斷可能由于樁身混凝土質量較差，導致了平均波速的下降。

圖5 91#樁低應變實測曲線

對91#樁進行鉆芯法核驗，見(圖6)，試驗表明:樁頂下0.0～1.5m，14.0～17.0m，22.0～24.0m 均存在不同程度的混凝土離析及較連續溝槽，而在樁端附近混凝土離析更為嚴重28.2～29.0m段松散，僅見粗骨料，樁端持力層為中風化巖。可見樁身幾段不同位置混凝土的離析，對應力波在樁身的傳播產生了影響，使整樁的平均波速比正常樁下降很多。在各離析段還是有部分應力波透射，沿樁身傳播達到樁底，而底部的混凝土離析段，使得樁端與持力層的阻抗變化差異加大，使得樁底反向反射較明顯。

圖6 91#樁鉆芯法芯樣照片

2.2 實例2

南平市某樞紐工程，框架結構，基礎形式采用沖(鉆)孔灌注樁，設計要求樁端持力層為中風化石英云母片巖，樁身砼強度為 C35，場地土層簡況自上而下為:①素填土，層厚約為0.50m～10.60m;②粉質粘土，層厚0.60～3.40m;③云母片巖殘積粘性土，層厚1.70～9.10m;④土狀強風化石英云母片巖，層厚4.40～22.10m;⑤碎塊狀強風化石英云母片巖，0.70～16.0m;⑥中風化石英云母片巖。

對15#樁進行低應變法檢測，見(圖7)，曲線顯示在2L/C位置附近同向反射明顯，但是其后入巖反向反射比較明顯。初步判斷是由于沉渣過厚導致的。

圖7 15#樁低應變實測曲線

對15#樁進行鉆芯法核驗，見(圖8)，結果表明樁端混凝土與巖層緊密相連，樁端無沉渣。但交接段巖體裂隙較發育，完整程度為破碎，抓取巖樣時已散成小碎塊，無法進行巖樣的抗壓強度試驗，該段長度約0.7m，其下為中風化巖。當持力層較破碎時，破碎界面的巖層阻抗比混凝土阻抗低，使得樁底同向反射明顯。可見單純從曲線上很難準確的判斷出樁端的嵌巖性狀。

圖8 15#樁鉆芯法樁端位置照片

對26#樁進行低應變法檢測，實測曲線見(圖9)，樁端位置同向反射較明顯，且在樁端之前有一幅值相對較小的同向反射，在2L/C位置之后的入巖反向反射一般。判斷即使考慮樁身阻抗漸變產生的二次反射疊加，樁端可能存在嵌巖不良的情況。

圖9 26#樁低應變實測曲線

對26#樁進行鉆芯法核驗，見(圖10)，由于沉渣較厚未能全部抓取，根據鉆機的進尺判斷沉渣約為50cm，其下持力層為中風化巖。可見對于樁端呈現“雙峰”狀的同向反射應給予足夠重視，在難以判定樁端性狀時應采用其他方法進行進一步的核驗。

圖10 26#樁鉆芯法樁端位置照片

3 結語

1)樁身截面變化，土阻力變化、混凝土強度變化、持力層破碎程度及沉渣厚度大小等因素都可能使低應變曲線上樁端的應力波反射復雜化。

2)采用低應變法對嵌巖樁樁端性狀進行檢測時，當曲線出現信號較復雜時，可根據施工及地質情況，將同一場地、同一樁型的檢測結果進行綜合比較，找出規律性，針對有疑問的樁，選出典型曲線樁，根據工程的實際情況選擇合適的驗證方法進行核驗，以避免誤判或漏判。

3)低應變法可作為嵌巖樁樁端性狀檢測的普查手段，而進行綜合評價則需輔以其他檢測手段。

[1]何思明，盧國勝.嵌巖樁荷載傳遞特性研究[J].巖土力學，2007年12月，第28卷第12期:2598-2601.

[2]趙明華，雷勇，劉曉明.基于樁-巖結構面特性的嵌巖樁荷載傳遞分析[J].巖石力學與工程學報，2009年1月，第28卷第1期:103-110.

[3]邱喜，尹崇清.大直徑嵌巖樁承載特性的現場試驗分析[J].建筑科學，2009年1月，第25卷第1期:73-77.

[4]梁曦.大直徑鉆孔嵌巖樁承載力的檢查評估方法[J].建筑科學，2014年7月，第30卷第7期:129-134.

[5]JGJ106-2014建筑基樁檢測技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2014.

[6]黃陽，黃 陽，施 峰，林清意，曾文.山區地質嵌巖灌注樁樁端性狀的檢測[J].巖土工程學報，2013年10月，第35卷增刊2:1220-1223.