低應變反射波信號在嵌巖樁的應用特征研究

宋清波

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南250014）

1 概述

近年來，在橋梁樁基工程中，因施工技術工藝、管理水平等因素的限制，灌注過程中任一環節的失誤，樁身質量都會受到影響，進而危害上部建筑物結構的安全[1]。國內中西部地區巖層埋深相對較淺，嵌巖樁的應用非常普遍[2]。嵌巖樁一般要求樁基進入相對較好的持力層以獲得較高的承載力并控制變形。為增強結構物安全性和使用壽命，橋梁基樁質量的檢測至關重要。低應變法因其具有無損便捷、檢測高效、成本低廉[3]等優點，是橋梁基樁完整性檢測廣為使用的物探方法之一。

2 低應變波法檢測橋梁基樁的基本原理

在對橋梁基樁進行低應變法檢測時，樁體的長度遠大于其直徑，基樁可以被近似看作一維彈性桿件，因此本法的理論依據是一維波動理論[4]。具體檢測時通過在樁頂豎向激振（力棒或手錘），由此產生的彈性波以波速c 沿樁身向下傳播，當樁身存在明顯界面波阻抗Z（ Z =ρcA）差異時，如斷樁、離析、夾泥或者樁身截面積發生幾何變化（縮頸和擴頸）等，一部分彈性波發生反射向樁頂傳播，另一部分則透射過界面向樁端傳播，在樁端處又產生反射到樁頂，從而在樁頂能測到激振信號。

3 低應變法檢測嵌巖樁工程實測與數值模擬對比研究

3.1 工程實例

某鐵路工程XX 橋，橋梁工程基樁采用樁徑為φ1.50m、設計樁長為8.00m、砼強度等級為C30，樁型為嵌巖樁。用基樁動測儀檢測該樁，低應變檢測曲線如圖1 所示。該工程地處地質條件復雜，地層破碎、巖溶發育的江西西北部地區；在對該樁檢測過程中，儀器及傳感器工作正常，無任何影響因素；現場采集數據后進行分析，發現樁底反射信號與入射信號同相位，且其幅值過大。

圖1 低應變實測檢測曲線

在時域曲線上樁端反射波與入射波的相位相同，波阻抗減小往往是嵌巖樁端持力層軟弱或是樁底沉渣過厚。

3.2 成因分析

造成嵌巖樁樁底質量不佳的主要因素有：樁底沉渣過厚或樁端入巖狀況不好。為確定工程實例中嵌巖樁樁底的真實情況，本文通過建立右樁底沉渣的嵌巖樁數值模型，進行數值模擬計算，通過數值模擬信號與工程實測信號對比分析，初步給出檢測結果判定結論。

3.3 樁底有沉渣的數值模擬

下面對嵌巖樁的計算模擬時域波形曲線的樁底反射信號[5-7]特征進行分析。設計嵌巖樁樁樁徑為φ1.50m、設計樁長為8.00m、砼強度等級為C30，樁底沉渣的厚度分別設為0.2m，橫截面積與樁徑一致，用碎石做樁底沉渣材料，具體材料參數如表1所示。

表1 材料參數

對樁底有沉渣的嵌巖樁進行網格模型劃分，如圖2 所示。

圖2 樁底有沉渣的嵌巖樁模型

模擬繪制的嵌巖樁樁頂C 測點的速度時程曲線如圖3 所示。

通過對時域曲線信號進行計算模擬，樁底產生的反射波為與入射波同相的反射波，后面連續出現一個幅值明顯偏小的與入射波反相的反射波。

圖3 有樁底沉渣時C 測點的速度時程曲線

通過對比模擬信號與實測信號，模擬樁端有沉渣的嵌巖樁樁底反射信號幅值遠大于工程實測嵌巖樁樁底反射信號幅值，可排除樁端沉渣過厚可能性，初步判定該嵌巖樁樁端未入巖。

4 取芯驗證

為使檢測結論更加嚴謹、準確，采用更為直觀的鉆芯取樣法在該樁中心位置進行開孔驗證。嵌巖樁芯樣如4 所示。

圖4 嵌巖樁芯樣

由圖4 可以看出該樁混凝土芯樣連續完整，表面光滑，骨料分布均勻呈長柱狀，端口吻合：但是該樁在設計樁底以下未入巖，持力層狀況為黏質砂土，與設計勘探資料嚴重不符。

5 結論

5.1 低應變反射波在嵌巖樁樁底信號反應敏感，通過樁身低應變檢測能有效控制嵌巖樁質量、驗證樁端持力層狀況。

5.2 對于樁底有沉渣或未入巖的嵌巖樁，能得到與入射波同相位的樁底反射波信號，其幅值大小與沉渣的厚度和物理力學性質呈正相關。

5.3 數值模型的建立與模擬計算分析，是一種有效的手段；有助于提高低應變法在樁基檢測中的準確性。