低應變反射波法在灌注樁淺部異常檢測中的應用

苗　偉

(中鐵咨詢集團北京工程檢測有限公司，北京　100055)

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低應變反射波法在灌注樁淺部異常檢測中的應用

苗偉

(中鐵咨詢集團北京工程檢測有限公司，北京100055)

Low strain reflected Wave Method in the Application of filling Pile Shallow anomaly Detection

MIAO Wei

摘要闡述低應變反射波法的工作原理，并通過在混凝土灌注樁樁身完整性檢測中的應用實踐，總結樁身淺部常見缺陷類型及檢測波形，舉例說明低應變反射波法在樁身淺部缺陷檢測中的成功應用。

關鍵詞低應變反射波法樁身完整性缺陷

鐵路橋梁采用的基礎類型主要是樁基礎，由于基樁的施工具有隱蔽性，施工質量受很多不確定因素的影響，因此，基樁質量的檢測與評價就顯得尤為重要。基樁檢測的目的是查明樁身結構的完整性，判斷樁身缺陷及其位置，以便對影響樁承載力和壽命的樁身缺陷進行必要的補救，保證建筑物的質量和安全使用。目前，樁身完整性檢測方法主要有低應變反射波法、聲波透射法、高應變動力試樁法和鉆芯法等。其中，低應變反射波法在工程實踐中應用最為普遍。

1原理

低應變反射波法以彈性縱波在一維桿中的傳播理論為基本原理，將樁等價為一細長的桿，樁長為L，橫截面積為A，彈性模量為E，質量密度為ρ，當樁頂受到一縱向錘擊力時，由平衡關系及虎克定律可得樁的縱向運動方程

UI+UR=UT

據波陣面上動量守恒條件，有

ρ1C1A1(UI-UR)=ρ2C2A2UT

其中U，σ分別表示應力波波速和應力，下標I、R、T分別表示入射波，反射波和透射波，由上述可得

UR=-FUI

UT=TUI

n=ρ1C1A1/ρ2C2A2

式中，ρ，C，A為廣義波阻抗；F為反射系數；T為透射系數。

1.1不同類型樁的反射特征

(1)完整樁

即ρ1C1A1=ρ2C2A2，n=1，F=0，樁身中不會產生反射信號，檢測波形中只有樁底反射信號。若為摩擦樁，由于樁身材料的ρ1C1遠大于樁底土的ρ2C2，n> 1，F<0，UR>0，反射波與入射波同相位；若為嵌巖樁，由于樁身材料的ρ1C1A1遠小于樁底基巖的ρ2C2A2，n<1，F> 0，UR<0，反射波與入射波反相位。

(2)擴徑樁

即A2>A1，則n<1，F>0，UR<0，反射波與入射波反相位。

(3)縮徑樁

即A1>A2，則n>1，F<0，UR>0，反射波與入射波同相位。

(4)離析樁

即ρ2C2<ρ1C1，n> 1，F<0，UR<0，反射波與入射波同相位，但離析樁中整樁平均波速低。

(5)斷樁

應力波在斷樁處被阻隔，波在斷裂處產生反射，在斷樁中一般得不到整樁的樁低反射信號，斷樁處的信號與入射波同相位。當已知波速的情況下，根據實測波形反射波的到時，可計算樁長或缺陷位置，其數學表達式為L=C×ΔT/2。

1.2現場檢測與信號處理

檢測前對樁頭進行必要的處理，首先挖至樁頂設計高程，鑿去浮漿，平整樁頭。對檢測儀器設備進行全面檢查，確認儀器設備的性能狀態良好，采用力棒給樁頭施加豎向激振力，產生應力波，通過安裝在樁頭上的傳感器接收來自樁身的反射信號，通過動測儀對信號進行處理存儲。

通過動測儀(現場)或室內計算機進行信號放大、濾波及分析處理后，得到速度時程曲線。據此，即可根據波形特征進行分析，計算平均波速，判斷樁身完整性及混凝土質量。根據被測樁波形、波速，結合工程地質及施工記錄，綜合判斷樁身的完整程度類別。

現場檢測如圖1、圖2所示。

圖1　檢測點布置示意

圖2　低應變檢測裝置布置示意

2實例分析

2.1樁身無異常

當樁身完整無異常時，僅存在唯一的反射界面，即樁底反射面，在條件較好的情況下，可以得到明顯的樁底反射波，樁身無明顯反射波。如圖3所示，該樁設計為摩擦樁，樁身完整，樁底反射波與入射波同相位。

圖3　樁身完整

2.2擴徑

受地質條件和施工工藝的影響，樁身容易產生擴徑現象，擴徑位置不同，測試曲線亦不同。

(1)樁頭擴徑

樁頭擴徑，即俗稱的“大頭樁”，擴徑部分以下為正常樁徑。大頭樁會造成樁身淺部“相對縮徑”，有明顯反射波，且反射波與入射波同相位。如圖4、圖5所示，該樁設計樁徑1.0 m，樁頂高程處樁頭直徑1.5 m，樁頂高程以下1.9 m左右樁徑1.0 m，檢測信號在1.9 m處有明顯反射波，反射波與入射波同相位。

圖4　1.9 m左右樁身縮徑

圖5　1.9 m左右樁身縮徑(照片)

(2)樁身擴徑

樁身擴徑，測試曲線會出現先擴后縮反射波，如圖6、圖7所示，該樁設計樁徑1.0 m，樁頂高程以下1.5～3.2 m樁身擴徑，3.2 m以下樁身恢復設計樁徑。

圖6　1.5～3.2 m樁身擴徑

圖7　1.5～3.2 m樁身擴徑(照片)

2.3縮徑

縮徑是混凝土灌注樁常見的缺陷類型，樁身有明顯反射波，且反射波與入射波同相位。縮徑嚴重會出現周期性反射波，無樁底反射波。如圖8，圖9所示，該樁在樁頂高程以下3.1 m左右樁身縮徑。

圖8　3.1 m左右樁身縮徑

圖9　3.1 m左右樁身縮徑(照片)

2.4離析

混凝土離析也是混凝土灌注樁常見的缺陷類型，樁身有明顯反射波，且反射波與入射波同相位。如圖10、圖11所示，該樁在樁頂高程以下3.1 m左右混凝土離析。

圖10　3.1 m左右樁身離析

圖11　3.1 m左右樁身離析(照片)

2.5裂縫

在樁身裂縫處，會形成與入射波同相位的反射波。當樁身斷裂時，缺陷反射波在樁頂面與缺陷面之間來回反射，反射波呈周期性，反射波能量有規律遞減。如圖12、圖13所示，該樁在樁頂高程以下3.4 m左右出現環向裂縫。

圖12　3.4 m左右樁身斷裂

圖13　3.4 m左右樁身斷裂(照片)

3注意事項

(1)資料收集：檢測過程中應注意資料的收集，包括地質勘察報告、施工工藝、成孔記錄、灌注記錄等，有助于測試數據的分析與判斷。

(2)樁頭處理：現場測試時應保證樁頭無浮漿，盡量保持樁頭平整，樁頭表面無松動現象，以免造成誤判。

(3)現場測試：現場測試時應選擇合適的激振設備和粘結劑，以激勵出合適的脈沖寬度、頻率、能量等。只有通過敲擊產生合適的振源，才有可能得到正確的波形曲線。

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中圖分類號：TU473.1+6

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2016)01-0071-03

作者簡介：苗偉(1981—)，男，2005年畢業于石家莊經濟學院勘查技術與工程專業，工程師。

收稿日期：2015-12-25