探討低應變反射波法在樁基工程檢測中的局限性

李光旭

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

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探討低應變反射波法在樁基工程檢測中的局限性

李光旭

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

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

關鍵詞：低應變反射波法；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產生應力波，應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，質點的運動速度為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　基樁低應變法檢測反射波走時示意圖

設在樁身某缺陷處存在突變界面i，參數由Ai、ρi、ci、Zi變 為Ai+1、ρi+1、ci+1、Zi+1。入射波為F1，對應波速為V1；反射波為FR，對應波速為VR；透射波為FT，對應波速為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點運動速度VI、VR、VT滿足連續條件，應力波滿足平衡條件以及根據波動方程理論，有下列關系：

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，透射系數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；對于缺陷樁，即樁身范圍內存在波阻抗差異，反射系數γR值在0～±1范圍內變化取值。因此就可以根據反射系數的正負來判斷樁身缺陷的性質。

當γR>0時，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，應力波由高強度材料向低強度材料傳播，類似于樁身斷裂、離析、夾泥或摩擦樁樁底。

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

2局限性分析

在實測工作中，由于施工因素、地質因素、測試技術等原因，實測曲線比理論曲線要復雜得多，導致接收信號干擾嚴重，波形復雜，難以確定樁身完整性類別。在激振信號合理的前提下，目前低應變反射波法實測中仍會受到地層干擾、樁頭干擾和樁身截面干擾等，導致無法判斷樁端反射波或缺陷反射波，限制了低應變反射法在樁基檢測中的應用。

3實例解析

3.1　地層影響

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

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

圖2　18-1號樁低應變時程曲線

3.2　樁頭影響

在實測過程中，經常會遇到試樁樁頭會高出地面，有的甚至高出1～2m。當應力波在樁頭激發后沿樁身向下傳播，在地面處會形成一波阻抗分界面而產生反射，到樁頂面再次產生反射，導致接收的波形為一震蕩信號，無法判斷樁身完整性。將樁頭鑿至地面處再進行檢測，恢復正常。由此可見，樁頭高于地面時對低應變反射波法影響很大，需將樁頭鑿至于地面平齊再進行檢測。

3.3　樁身截面的影響

在水系發育區域和巖溶發育區域，機械沖擊成孔樁在成孔時經常會發生塌孔，在澆灌混凝土時會發生超灌現象，導致成樁后樁身截面多變或突變。在進行低應變反射波法檢測時，接收波形復雜多變，無法判斷樁身完整性。如麻桿寨渡槽位于農田區域，水系發育，淤泥層和泥夾石層厚度達8～10m，成樁方式為機械成孔灌注樁。在檢測過程中發現大量樁的反射波信號雜亂。如46-1號和47-1號樁，時程曲線可見多處異常同向反射(圖3和圖4)，后經鉆芯法驗證檢測，樁身均完整。查閱該工地施工日志和地質資料，大批樁均存在塌孔和超灌現象，樁身已不符合一維彈性桿理論模型，低應變法無法適應該工地的樁身完整性檢測，需變換樁基檢測方法。

圖3　46-1號樁低應變時程曲線

圖4　47-1號樁低應變時程曲線

4結語

(1)樁周地層變化形成波阻抗分界面，在分界面上易產生反射疊加在接收信號上形成干擾，導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上形成干擾，無法清晰拾取樁身反射波，導致對樁身完整性誤判或無法判斷。

(3)在水系發育區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，導致接收信號復雜多變，導致對樁身完整性誤判或無法判斷。

所以，根據接收的單一波形進行判識存在一定的局限性和不確定性。在實際樁基工程中，應根據地勘資料確定是否采用低應變反射波法，同時需要檢測者有豐富的檢測經驗，并根據施工記錄、地質資料進行綜合判別，在條件允許時可增加鉆芯法抽檢頻次，必要時需更換檢測方法。

參考文獻：

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

收稿日期：2015-01-12

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0126-02