低應(yīng)變反射波法速度曲線判定及應(yīng)用

林雋祺

鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院 河南 鄭州 450001

正文：

1 前言

在現(xiàn)代工程中普遍使用的樁基和復(fù)合地基中的剛性、半剛性樁等多地下隱蔽工程，在施工過程中難免會出現(xiàn)諸如斷樁、縮徑、軟弱夾層、離析等各種缺陷，而樁身質(zhì)量的好壞直接影響著樁基或者復(fù)合地基的承載力，從而對工程質(zhì)量有著舉足輕重的影響。反射波法是低應(yīng)變動力測試中的一種，由于其基本原理簡單、采集數(shù)據(jù)快速無損、數(shù)據(jù)直觀易于現(xiàn)場和室內(nèi)判定等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為樁身完整性動力測試的主要方法之一。

2 基本原理

反射波法又叫時域法，由于樁長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁徑，可視為一維彈性桿，當(dāng)其一端受瞬態(tài)脈沖力作用時，應(yīng)力波以波速VC沿著桿軸線向另一端傳播，如傳播中桿件截面波阻抗Z（Z=ρVCA）發(fā)生變化時，即在波阻抗Z改變的界面上產(chǎn)生反射波。反射系數(shù)Rr和透射系數(shù)Rt如下：

上式中ρ、A分別為桿材料（樁）的質(zhì)量密度和截面積；Z1和Z2分別為樁身上、下部分的阻抗。由上式可知，無論樁身阻抗Z1、Z2如何變化，始終有Rt＞0，透射波總是與入射波相位相同，而反射波相位取決于樁身界面上、下的波阻抗Z1、Z2的變化。當(dāng)樁身波阻抗減小（Z1＞Z2）時，即Rr＞0，反射波和入射波相位相同；當(dāng)波阻抗增大（Z1＜Z2）時，即Rr＜0，反射波和入射波相位相反。據(jù)此，通過安裝于樁頂?shù)乃俣然蛘呒铀俣葌鞲衅鞑杉瓷洳〞r域曲線，并經(jīng)信號接收放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息，據(jù)此判定樁身完整性。

3 測試分析應(yīng)注意的問題

3.1 搜集現(xiàn)場資料

在進(jìn)行現(xiàn)場測試前，應(yīng)收集并了解場地地質(zhì)狀況資料、樁型、樁長、成樁工藝及施工記錄等，特別是在成孔、灌注等施工過程中出現(xiàn)的異常狀況，如斷電、混凝土供應(yīng)不足等可能造成的混凝土的離析、夾層等缺陷。同時，應(yīng)了解場地內(nèi)樁身以及樁端所處的地層狀況，這對判定缺陷是由于樁身質(zhì)量，還是由地層影響等有重要意義。

3.2 檢測開始時間

要根據(jù)施工記錄確定檢測樁，因?yàn)槭軝z樁的時域曲線反射信號隨著樁身剛度的增大而增強(qiáng)，若混凝土強(qiáng)度未達(dá)到檢測時的所需強(qiáng)度，無法得到樁底反射信號或使樁身時域曲線失真，以至出現(xiàn)誤判。故受檢樁混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%，且不小于15MPa，一般在成樁后7d～15d后即可進(jìn)行樁身完整性檢測。

3.3 樁頭部分處理

為了得到清晰可靠的反射信號，對于受檢的灌注樁應(yīng)鑿去樁頂部分的浮漿、破碎層和疏松混凝土至堅硬的混凝土面，并切除樁頭外露過長的鋼筋。不要在混凝土表面抹水泥砂漿找平層，以免砂漿與混凝土結(jié)合不好而造成反射信號失真，從而引起誤判。

3.4 傳感器的安裝

傳感器必須安裝牢固且與樁頂垂直，使它與樁體一起運(yùn)動，能真實(shí)反映出樁頂?shù)恼駝印Ｍǔ５淖龇ㄊ峭ㄟ^黃油、橡皮泥或石膏粘結(jié)，但易產(chǎn)生隔振，所以要求傳感器與新鮮檢測面間應(yīng)壓緊。

3.5 錘擊設(shè)備選擇

不同的樁型應(yīng)選擇不同的錘擊設(shè)備。一般的做法是長樁或深部缺陷用低頻的激振力，故選擇較軟的錘頭或質(zhì)量較大的力棒；而對于樁徑較小的短樁或淺部缺陷用能產(chǎn)生高頻的激振力，故選擇質(zhì)量較小的錘或硬質(zhì)錘頭。另外，錘頭的材質(zhì)對激振也有較大影響。

4 動測成果判別及樁身質(zhì)量判定

本次樁身動測成果的分析、檢測儀器是美國P.D.I公司生產(chǎn)的P.I.T基樁動測儀，并對工程中出現(xiàn)的樁型進(jìn)行分析對比，已準(zhǔn)確判定樁身質(zhì)量和缺陷類型。

4.1 完整樁

完整樁反射波波形（速度曲線）規(guī)則，波列清晰，2L/c時刻前無缺陷反射波，樁底反射明顯。

圖1 完整樁實(shí)測信號曲線（左為鉆孔灌注樁，右為靜壓管樁）

4.2 縮徑、離析或夾泥

縮徑、離析或夾泥等缺陷為樁身截面減小或強(qiáng)度降低，致使樁身阻抗Z1大于Z2，使得病害部位反射波與樁頂入射波相位相同，且反射波到達(dá)病害部位的時間小于到達(dá)樁底的時間，且反射波波速降低、波幅減少。

圖2 縮徑（離析）實(shí)測信號曲線（鉆孔灌注樁）

4.3 斷樁、嚴(yán)重離析

斷樁、嚴(yán)重離析等病害的樁身缺陷處上部阻抗Z1瞬間幾乎變?yōu)榱悖沟迷谌毕萏幍姆瓷洳úǚ艽螅彝霈F(xiàn)波形重復(fù)的多次反射，伴隨著樁身質(zhì)量的嚴(yán)重下降，波速衰減很快，經(jīng)過多次反射后，難以觀測到樁底反射波。

圖3 斷樁實(shí)測信號曲線（CFG樁）

4.4 淺部斷裂

淺部斷裂樁的波速、波幅和頻率會迅速衰減，難以觀測到樁底位置反射波。由于淺部斷裂的樁缺陷位置較淺（大都在1～1.5m范圍內(nèi)），而這部分又位于測試盲區(qū)內(nèi)，樁體缺陷準(zhǔn)確位置難以分析確定，所以現(xiàn)場開挖驗(yàn)證是最好的驗(yàn)證方法。

圖4 淺部斷裂信號曲線（CFG樁）

4.5 擴(kuò)徑

擴(kuò)徑樁的樁身截面增大，致使樁身阻抗Z1小于Z2，使得擴(kuò)徑部位反射波與樁頂入射波相位相反。另外，若在樁身范圍內(nèi)兩層軟弱土層中夾有一強(qiáng)度較高土層，則樁頂反射曲線表現(xiàn)為擴(kuò)徑的信號曲線，反之，則表現(xiàn)為縮徑信號。基樁擴(kuò)徑后只要不對周圍樁體或復(fù)合地基中復(fù)合體產(chǎn)生破壞影響，樁身擴(kuò)徑不應(yīng)視為樁體缺陷。

另外，樁身實(shí)測信號復(fù)雜、無規(guī)律、樁身截面漸變或多變以及大直徑樁等情況下，難以進(jìn)行準(zhǔn)確判定時，應(yīng)結(jié)合其他檢測方法。

5 問題探討

5.1 樁底反射信號

摩擦樁樁底土層承載力較小，樁底反射波與樁頂入射波同相位；若為嵌巖樁，因持力層阻抗Z持力層大于或者等于Z樁，所以樁底反射與樁頂入射波相位相反，或者樁底反射不明顯或無反射，這時應(yīng)根據(jù)地層性質(zhì)及同條件下其他樁身反射信號判定樁身完整性。

5.2 混凝土強(qiáng)度與波速的關(guān)系

在相同條件下，樁身波速和混凝土強(qiáng)度間呈正相關(guān)，但要考慮成樁時骨料的品種、粒徑、混凝土養(yǎng)護(hù)方式等因素。目前有些單位中出現(xiàn)了所謂的“樁身平均波速與混凝土強(qiáng)度關(guān)系”（如下表），根據(jù)筆者多年的檢測經(jīng)驗(yàn)、對比試驗(yàn)及有關(guān)文獻(xiàn)，樁身波速有時候能夠?qū)?yīng)混凝土強(qiáng)度，但并不能確定所謂的下表關(guān)系，應(yīng)審慎應(yīng)用下表，而應(yīng)通過對混凝土試件的波速測定與抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)確定。

樁身平均波速與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

5.3 樁長及缺陷位置的判斷

樁長及缺陷位置的確定可以根據(jù)樁身波速（可用波速平均值替代）和樁底或缺陷位置反射波到達(dá)時間應(yīng)用下式對其加以核對。

但波速c的取值應(yīng)在相同條件下測得。當(dāng)應(yīng)用樁身齡期短的實(shí)測波速驗(yàn)證其他樁身齡期較長的樁時，會使計算的缺陷位置偏淺。反之，則缺陷位置偏深。

6 結(jié)語

綜上所述，可得出如下結(jié)論：

（1）低應(yīng)變反射波法分析可運(yùn)用一維波動理論進(jìn)行分析、判定。樁身完整性準(zhǔn)確判定除了自身經(jīng)驗(yàn)的積累，還要考慮場地的地質(zhì)條件、設(shè)計樁型和施工工藝以及合適的錘擊設(shè)備等。

（2）低應(yīng)變反射波法分析時，可根據(jù)樁身反射波是否和入射波具有同相位而確定樁身波阻抗的變化，從而判定缺陷類型、樁身完整性。并且還可根據(jù)波速和反射波到達(dá)時間對樁的實(shí)際長度、缺陷大概位置加以判斷。

（3）有無樁底反射信號不能作為判定樁身完整性的標(biāo)準(zhǔn)。樁身應(yīng)力波速雖和樁身混凝土強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，但不同場地、不同條件下兩者的確切關(guān)系應(yīng)通過對混凝土試件的波速測定與抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)而定。