低應變反射波法檢測技術在工程中的應用

黃智波

（健研檢測集團有限公司）

1 引言

隨著我國建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，樁基礎得到了廣泛應用，然而其質(zhì)量的好壞直接影響到上部結(jié)構(gòu)的安全性。因此，對樁基礎進行相應檢測，評價樁基礎的質(zhì)量，對整個建筑結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

目前，樁基檢測主要是對樁基的承載力及樁身完整性進行檢測。樁基承載力檢測主要采用靜載試驗法，而樁身完整性檢測可通過鉆芯法、低應變法、高應變法、聲波透射法等實現(xiàn)[1]。低應變法作為一種無損檢測方法，根據(jù)作用在樁頂激振方式的不同，又可分為機械阻抗法、球擊法、反射波法、參數(shù)動力法、水電效應法等[2]，其中低應變反射波法不僅可以為高應變法、靜載試驗法等確定樁位，而且當靜載試驗法出現(xiàn)不合格樁后，可通過低應變反射波法加大檢測面[3]。同時該方法具有快速、便捷、經(jīng)濟、結(jié)果可靠等優(yōu)點，越來越受到樁基檢測人員的關注。

2 低應變反射波法檢測原理

2.1 理論基礎

低應變反射波法將樁假設為一維線彈性桿件[4，5]，因此其滿足一維桿件的波動方程。當樁頂施加某一激勵時，入射波以波速C 由樁頂向樁底傳播。入射波在傳播過程中遇到樁身出現(xiàn)諸如縮徑、擴徑、斷樁、離析等缺陷時，均會在缺陷部位產(chǎn)生反射波和透射波。根據(jù)應力波理論，透射波波速Vt和反射波波速Vr可表示為：

式中，

Vi——反射波波速；

Z1、Z2——缺陷處上下界面的阻抗，Z1、Z2根據(jù)公式

Z1=C1ρ1A1，Z2=C2ρ2A2確定；

C1、C2——缺陷處上下界面的波速；

ρ1、ρ2——缺陷處上下界面的質(zhì)量密度；

A1、A2——缺陷處上下界面的截面積。

由式⑴可知2Z1/(Z1+Z2)＞0，因此透射波總是與入射波同相。由式⑵可知反射波的相位取決于缺陷處上下界面的阻抗Z1和Z2，當Z1＞Z2時，反射波與入射波同相；當Z1＜Z2時，反射波與入射波反相。

2.2 基本原理

利用小橡膠錘在待測樁頂施加豎向激振荷載，由激振產(chǎn)生的應力波將沿樁身向樁底傳播，根據(jù)安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鞑杉瓷洳ǖ牟ㄐ吻€，通過計算機相關軟件對波形曲線進行分析，并且結(jié)合地質(zhì)資料、施工記錄等對樁身的缺陷作出判斷。低應變反射波法測樁的原理圖如圖1 所示。

圖1 低應變反射波法測樁原理圖

3 樁身完整性判定

根據(jù)成樁質(zhì)量不同，樁身的缺陷主要有斷裂、縮徑、擴徑、夾泥、離析等類型。對于完整樁，其時域波形圖只在底部出現(xiàn)同相或反相的反射波。而斷裂樁的時域波形圖波幅較大，出現(xiàn)多次反射，并且無樁底反射波；縮徑樁的時域波形圖在縮徑部位出現(xiàn)同相波幅，無多次反射，具有樁底反射波；擴徑樁的時域波形圖在擴徑部位出現(xiàn)反相波幅，無多次反射，具有樁底反射波；夾泥樁的時域波形圖在夾泥部位出現(xiàn)同相波幅，出現(xiàn)多次反射，其波速一般檢測不到；離析樁的時域波形圖在離析部位出現(xiàn)同相波幅，波幅有大有小，一般也會出現(xiàn)多次反射，輕度離析樁具有樁底反射波。

對于缺陷的程度，一般根據(jù)反射波的幅值進行定性確定，缺陷的位置則根據(jù)L=C Tx/2 確定。C 為彈性波波速，Tx為反射波時間。

綜合波形圖分析、地質(zhì)資料、成樁工藝等《建筑基樁檢測技術規(guī)范》按樁身的完整性將樁分為Ⅰ類樁、Ⅱ類樁、Ⅲ類樁、Ⅳ類樁。其中Ⅰ類樁為樁身完整的樁；Ⅱ類樁樁身有輕微缺陷，但不影響樁身結(jié)構(gòu)的承載力；Ⅲ類樁樁身有明顯缺陷，對樁身結(jié)構(gòu)的承載力有一定影響；而Ⅳ類樁樁身存在嚴重缺陷。

4 工程實例分析

福建省南安市某建筑工程為10 層框架結(jié)構(gòu)，基礎采用沖（鉆）孔灌注樁，樁徑1000mm，樁身混凝土強度等級為C30。根據(jù)地勘報告，場地土層至上而下分別為：①雜填土：褐灰、黃褐色，人工回填土，以細砂、卵石為主，厚度為2.90～3.80m；②卵石：灰褐、灰黃等色，多為硅質(zhì)或長英質(zhì)，厚度為3.80～6.50m；③殘積砂質(zhì)粘性土：黃褐、灰白色，多為花崗巖風化土，石英粗顆粒含量5～20%，厚度1.10～4.80m；④全風化花崗巖：灰褐、黃白色，花崗巖強烈風化，巖芯呈土狀，含約35%的長英質(zhì)礫級顆粒。稍濕，堅硬，厚度為1.20～2.30m。⑤強風化花崗巖：灰褐、黃白色，花崗巖強烈風化，巖芯松散，呈砂土狀，含有大量的石英礫級顆粒，稍濕，極硬，厚度為1.90～5.20m；⑥強風化花崗巖：灰褐、黃白色，花崗巖強烈風化，巖芯松散，呈碎屑狀、碎塊狀，含有大量的石英礫級顆粒，厚度為1.80～3.30m；⑦中等風化花崗巖：灰褐、灰白色，花崗巖節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，巖芯呈塊狀或短柱狀，厚度大于5.0m。

利用低應變反射波法對場地內(nèi)的樁進行動力檢測，結(jié)合鉆芯法對評判結(jié)果加以驗證。

4.1 樁身類別為Ι 類樁

圖2 為57#樁的低應變時域波形圖。由圖2 可知，樁長為17.70m，0m 處為入射波峰，該波形曲線完整，樁身無缺陷反射波，只在底部出現(xiàn)同相的反射波，且底部反射波清晰，波速為3700m/s。符合完整樁的時域波形圖，因此初步判斷該樁為Ⅰ類樁。圖3 為57#樁的鉆孔芯樣。芯樣圖表明，該樁連續(xù)、完整，樁身混凝土密實，未出現(xiàn)斷裂、夾泥、離析、麻面等缺陷。判斷樁身完整性類別為Ⅰ類樁。以上兩種方法判斷的結(jié)果一致，因此判斷該樁樁身完整性類別為Ⅰ類。

圖2 57# 樁低應變時域波形圖

圖3 57# 樁鉆孔芯樣圖

4.2 樁身類別為Ⅱ類樁

圖4 為67#樁的低應變時域波形圖。由圖4 可知，該樁樁長為14.30m，0m 處為入射波峰，波速為3720m/s，波形曲線連續(xù)，波底有較清晰的同相反射，在樁身3.2m 處出現(xiàn)幅值較低的反射波，初步判定該樁在3.2m 處具有輕微缺陷，為Ⅱ類樁。結(jié)合鉆孔芯樣，如圖5，該樁3.5m 處芯樣側(cè)面有輕微的蜂窩麻面，其它部位芯樣較密實，并未有缺陷。兩種方法判定結(jié)果基本一致，因此判斷該樁樁身完整性類別為Ⅱ類。

圖4 67# 樁低應變時域波形圖

圖5 67# 樁鉆孔芯樣圖

圖6 76# 樁低應變時域波形圖

圖7 76# 樁鉆孔芯樣圖

4.3 樁身類別為Ⅲ類樁

圖6 為76#樁的低應變時域波形圖。該時域波形圖存在較為明顯的異常，在5m 左右出現(xiàn)同相的反射波，反射波幅值較低，且樁底反射波信號不明顯，結(jié)合斷裂樁的時域波形圖特征，該樁并無多次幅值較大的反射，而樁底有較弱的反射波。因此初步判斷該樁不是斷裂樁，但是該樁與斷裂樁的時域波形圖有類似特征，并且結(jié)合地質(zhì)資料，該樁在5.0m 處為卵石，由于沖（鉆）孔灌注樁在遇到卵石施工時，如不采取恰當?shù)奶幚泶胧蓸逗蟮臉渡砣菀壮霈F(xiàn)缺陷。因此初步判斷該樁在5.0m 左右處出現(xiàn)局部破碎。圖7 為76#樁的鉆孔芯樣，由芯樣圖可見，該樁在5.2m 處出現(xiàn)了局部破碎，破碎段長度小于10cm，其它部位樁身完整，無缺陷。結(jié)合兩種辦法判斷該樁樁身完整性類別為Ⅲ類。

由以上兩種檢測方法可知，低應變反射波法與鉆芯法檢測結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

利用低應變反射波法對福建省南安市某工程實例中的Ⅰ類完整樁和Ⅱ類、Ⅲ類缺陷樁進行時域波形圖分析，判定樁身的完整性。并結(jié)合取芯法對三種類型樁加以驗證，兩種檢測方法得到的結(jié)果較一致，認為低應變反射波法是一種較為有效的無損檢測方法，本文對工程實例的分析也為樁身完整性判定提供了實際工程經(jīng)驗。●