復雜地質條件下低應變法基樁檢測研究

王乾龍

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

樁基作為一種隱蔽性工程，在我國高速鐵路建設中得到廣泛的應用。樁基施工難免會存在樁身質量問題，進而影響著橋梁的安全性和耐久性[1-2]。低應變法是一種半直接的基樁檢測方法[3-4]，具有操作方便、高效直觀、費用低等優點，在樁基工程質量檢測中得以廣泛應用[5]。張剛利用低應變法對軟土地層中擴徑產生的“良性缺陷”現象進行了探討，并提出相應解決方案[6]；苑志強等對灌注樁常見異常低應變曲線的反射特征進行了分析[7]；趙林杰研究了地質效應對低應變檢測的影響，并考慮了樁周土波阻抗變化對曲線的影響[8]；胡在良等對低應變法在嵌巖樁中的有關問題進行了分析[9]；張智對比分析了聲波透射法與低應變法的檢測結果，認為兩種方法相互驗證、補充，可以保證檢測質量；陳宗起等研究了嵌巖樁低應變檢測的有關問題；陳輝對低應變檢測中的典型缺陷給出了處理措施，并對處理效果做了相關研究[10-12]；苗偉通過灌注樁完整性檢測實例，分析了低應變在樁身淺部缺陷檢測中的應用效果[13-15]。以往研究多局限于對檢測結果的理論分析，對復雜地質條件下低應變檢測的過程研究較少。以某在建山區高速鐵路樁基檢測為例，研究復雜地質條件下低應變檢測結果的準確性問題。

1 方法原理

1.1 基本原理

在樁頂施加一個豎向瞬態激振，產生的應力波在樁身中傳播，當樁身波阻抗發生變化時，將產生反射波，安裝在樁頂的高靈敏度傳感器接收響應信號，對其時間域或頻率域進行分析，可識別來自樁身或樁土結構不同位置的反射信息，進而判斷樁身完整性[16]。

1.2 理論公式

將基樁視為一維彈性桿件，即滿足L?D，D?λ，其中L為樁長，D為樁徑，λ為應力波的波長，并假設桿體為均質，忽略桿體內外阻尼和基樁表面摩擦力的影響，以及樁周土和桿端各種作用力的影響。

當桿體受到瞬態激勵，根據力的平衡條件和廣義胡克定律，可以得到應力波在桿體中傳播的波動方程

(1)

式(1)中，C為縱向應力波的波速,C2=E/ρ,E為桿體的楊氏彈性模量，ρ為均質桿體的密度，u為質點位移。當應力波沿桿體傳播遇到廣義波阻抗發生變化時，會在桿中發生反射、透射和折射。一般情況下，折射部分的能量可忽略不計，波阻抗差異越大，所產生的反射越強，透射越差。

由邊界連續條件和牛頓第三定律，有

VI+VR=VT

(2)

A1(σ1+σR)=A2σT

(3)

式(2)中，VI、VR、VT分別為波阻抗分界面處質點的入射波、反射波和透射波速度；式(3)中，σI、σR、σT分別為波阻抗分界面處入射波、反射波和透射波的應力，A1和A2為桿體的截面積。

在波阻抗發生變化的界面，根據動量守恒定律有

ρ1C1A1(VI-VR)=ρ2C2A2VT

或Z1(VI-VR)=Z2VT

(4)

式中，Z1、Z2分別為兩種不同介質的廣義波阻抗。

由式(2)和式(4)，可推導出

VR=-FVI

(5)

VT=nTVI

(6)

(7)

2 理論分析與實測案例分析

2.1 基樁理論特征表現

考慮到透射波與入射波同向，而且透射波在樁身缺陷性質和位置的判定中不起作用，這里只對反射波的理論情況進行分析。

(1)當n>1時，即Z1>Z2，則F<0，此時反射波與入射波同相位。廣義波阻抗是由ρ、A、C三個物理量決定的，一般情況下，物質的密度越大，應力波在其中的傳播速度也越大(近似成正比關系)。這里存在兩種情況：

①當樁身截面積A保持不變，有ρ1C1>ρ2C2，即樁身存在離析、夾泥、蜂窩、空洞、裂縫或二次澆筑面等，此時雖然反射波與入射波相位相同，但波速值偏低。

②當ρ1C1=ρ2C2，即樁身混凝土性質保持均質，而樁身截面積A1>A2，此時樁身發生縮頸，入射波與反射波相位相同。

(2)當n=1時，即Z1=Z2，則F=0，T=1此時樁身中不存在反射信號。一般情況下，樁身混凝土與樁底巖土層存在波阻抗差異，摩擦樁的時程曲線多表現為入射波與樁底反射信號同相位，嵌巖樁則多表現為反相位。

(3)當n<1時，即Z10，則反射波與入射波相位相反。也存在兩種情況：

①當樁身截面積A保持不變，此時ρ1C1<ρ2C2，也即是應力波由“軟”樁身向“硬”樁身方向傳播(這里的“軟硬”可理解為樁身混凝土強度的不同)，如果樁頂浮漿處理不到位，或者用低標號的混凝土或砂漿代替正常混凝土，就會出現此類情況。

②當ρ1C1=ρ2C2，而樁身截面積A1

2.2 實測案例分析

以山區某在建高速鐵路樁基低應變法檢測案例為例，對幾種典型檢測曲線進行深入剖析，研究低應變法在復雜地質條件下的應用效果，并通過開挖法進行驗證。

(1)樁身混凝土嚴重離析

某橋墩4-5號樁，設計樁長為19.5 m，樁徑為1.5 m，砼等級為C35，樁類型為嵌巖端承樁，地質情況如下：0～14.76 m為強風化泥質粉砂巖，地基基本承載力為σ0=300 kPa；14.76～19.50 m為弱風化泥質粉砂巖，σ0=500 kPa。

圖1 0.8～1.5 m樁身混凝土離析

圖2 樁身離析(無問題部位)

圖3 樁頂1.5 m以下低應變曲線

圖1、圖2分別為某嵌巖樁低應變反射曲線，由圖1可知，此樁淺部存在缺陷信號，樁底有明顯的嵌巖反相信號；考慮到混凝土速度值偏低，初步判定為樁身離析，經開挖，發現80 cm處樁身局部混凝土嚴重離析，續開挖至1.5 m左右，樁身混凝土恢復正常。由圖2可知，樁身部分混凝土的離析對波形曲線有一定的影響，曲線震蕩、不平滑。經處理后，對樁頂1.5 m以下進行樁身完整性檢測，測試曲線如圖3所示，樁身完整，無明顯缺陷信號。

(2)樁身淺部存在裂紋

某橋墩4-11#樁設計樁長為16.5 m，樁徑為1.0 m，樁身類型為摩擦樁，地質情況較好，不存在軟弱巖層；圖4是該樁首次檢測時采集的低應變曲線(表現為高頻震蕩衰減，似斷樁曲線)，考慮到缺陷部位埋深較淺，直接對樁身進行開挖，開挖至50 cm左右發現存在輕微裂紋，鑿除上部混凝土后，對該樁進行二次檢測，檢測結果如圖5所示(樁身完整)。樁頭未鑿除干凈等原因造成了該樁檢測曲線異常。

圖4 0.5 m左右樁身存在輕微裂紋

圖5 處理后的低應變反射曲線

(3)樁身局部擴徑造成“良性異常”

某橋墩9-7號樁設計樁長為19.5 m，樁徑為1.25 m，混凝土強度等級為C35，地質描述：0～10.50 m為強風化泥質粉砂巖，σ0=350 kPa；10.50～19.50 m為弱風化泥質粉砂巖，σ0=500 kPa。該樁的低應變曲線如圖6所示，經初步分析，該樁0.50～1.50 m疑似存在缺陷，對該樁進行開挖驗證，樁身0.50～1.50 m樁徑局部偏大，表面凹凸不平。結合施工現場和地質情況進行分析，施工使用的護桶偏大加上泥質粉砂巖風化較嚴重，造成樁頭處成樁不規則。

圖6 樁身0.5～1.5 m“良性”擴徑

(4)樁身夾泥

某橋墩8-1號巖溶樁設計樁長為20.5 m，樁徑為1.0 m，砼強度為C35。地質描述：0～6.85 m為硬塑狀粉質黏土，σ0=150 kPa；6.58～17.38 m為弱風化灰巖，σ0=1 000 kPa；17.38～19.18 m為溶洞；19.18～20.5 m為弱風化灰巖，σ0=1 000 kPa。圖7為該樁的低應變檢測曲線，由圖7可知，樁身1.8 m處存在嚴重缺陷反射(缺陷反射為等間距)，判定樁身存在斷裂或嚴重夾泥；開挖至2.0 m時，發現樁身嚴重夾泥，鋼筋籠外漏，縱向分布約50 cm，樁身上下混凝土面只有少部分連接在一起。接樁后，對整根樁的完整性進行復測，曲線如圖8所示，綜合判定該樁樁身完整。經了解，該缺陷系灌注時淺部塌孔未及時處理所造成。

圖7 2.0～2.5 m樁身嚴重夾泥

圖8 接樁后低應變曲線

(5)樁底嵌巖效果欠佳

某橋墩16-8號樁樁長為9.0 m，樁徑為1.0 m，砼等級為C35，設計樁型為嵌巖端承樁，地質描述：0～9 m為強風化泥質粉砂巖，σ0=300 kPa。低應變檢測曲線如圖9所示，初步分析該樁的樁身完整性良好。對該樁取芯驗證，發現樁長滿足設計要求，樁底沉渣較少，但是樁端持力層為強風化的泥質粉砂巖，地基承載力較差，不能滿足樁基礎承載力要求。故重新進行了設計，樁長改為15.5 m(比原設計長6.5 m，嵌巖2 m)，低應變檢測曲線如圖10所示。

圖9 樁底嵌巖質量欠佳

圖10 補充設計后低應變曲線

3 預防策略

(1)對巖溶地區沖擊成孔的基樁，應選擇性地預埋聲測管，以聲波透射法補充低應變法的不足，以更好地保證檢測質量。

(2)應嚴格控制灌注樁的砼質量、灌注連續性及灌注時間，對作業人員做好交底，出現問題及時處理。

(3)對于樁身淺部存在的問題，可直接開挖，取芯驗證樁身質量，對存在質量問題的樁基，應鑿除缺陷部位，接樁后復測其完整性。對同一地區、同一類型的檢測曲線，可選擇性地抽取典型曲線，取芯驗證樁身質量、樁底沉渣厚度、嵌巖情況等。