基樁完整性檢測(cè)中反射波法的應(yīng)用

陳榮杰

（廣東科致檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引言

軟土基樁是指在壓縮性較高、抗剪強(qiáng)度較差的區(qū)域構(gòu)建的基樁。該類基樁負(fù)荷增加時(shí)較易發(fā)生變形，承載力相對(duì)較低，具有較高變形率和沉降量。基樁是工程的重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其建設(shè)質(zhì)量直接影響工程建設(shè)和使用安全性。反射波法是當(dāng)前基樁完整性檢測(cè)常用方法之一，屬于無創(chuàng)檢測(cè)，適用范圍較廣。為保證準(zhǔn)確檢測(cè)，應(yīng)科學(xué)使用該技術(shù)。

1 基樁檢測(cè)中反射波檢測(cè)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

反射波檢測(cè)是應(yīng)用成本和操作難度較低的檢測(cè)方法，檢測(cè)設(shè)備要求較低，可用于樁身質(zhì)量普查，應(yīng)用反饋較好，是建設(shè)方和施工方常用檢測(cè)方法。圖1 為建設(shè)工程反射波檢測(cè)。一維應(yīng)力波理論是小應(yīng)變的應(yīng)用基礎(chǔ)，在基樁頂部設(shè)置傳感器，利用小錘向樁頂施壓，施壓作用下基樁產(chǎn)生應(yīng)力波，分析應(yīng)力波情況可了解樁土體系響應(yīng)情況，在此基礎(chǔ)上反向推演，檢測(cè)速度信號(hào)，可初步評(píng)估基樁完整性[1]。應(yīng)用此種方法時(shí)，將速度和力視為時(shí)間、深度函數(shù)，利用平截面假設(shè)作為研究基礎(chǔ)實(shí)施檢測(cè)評(píng)估。在錘擊施力時(shí)，樁頂受錘擊部位為點(diǎn)振源，圍繞點(diǎn)振源形成應(yīng)力波，此種應(yīng)力波近似半球面，具有橫波、縱波、表面波，向周圍傳播。在應(yīng)力波傳播時(shí)，向下傳播的波陣面近似平面，因此可作為評(píng)估依據(jù)[2]。

圖1 建設(shè)工程反射波檢測(cè)

2 應(yīng)用反射波法檢測(cè)基樁完整性的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 技術(shù)分析

此種檢測(cè)的理論基礎(chǔ)是一維波動(dòng)理論，采用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建模擬樁，分析一維應(yīng)力傳播方法，并且在此基礎(chǔ)上分析反射、投射、波的疊加等數(shù)據(jù)，觀察波形，檢出波形異常，即評(píng)估基樁完整性。基樁質(zhì)檢中，受檢基樁即一維彈性直桿，在檢測(cè)時(shí)假設(shè)基樁材質(zhì)均勻，即正常情況下應(yīng)為均為信號(hào)傳播界面，受力時(shí)截面處于平面狀態(tài)。對(duì)樁內(nèi)外阻力、表層摩擦力忽略不計(jì)，忽略樁周土支撐、約束影響，樁底彈簧替代上述影響。樁頂承受沖擊力時(shí)，形成一彈性脈沖波，以樁身為介質(zhì)向下傳播，基于牛頓第二定律、力平衡理論，可得出一維波動(dòng)方程。

2.2 檢測(cè)前準(zhǔn)備

反射波檢測(cè)中，首先應(yīng)做好檢測(cè)準(zhǔn)備。檢測(cè)前準(zhǔn)備階段，應(yīng)全面了解基樁所在區(qū)域地質(zhì)資料，并收集基樁施工記錄資料、樁位平面圖。

2.3 安裝設(shè)備及合理選擇激振方式

（1）傳感器設(shè)置。應(yīng)選擇靈敏度較高的加速度傳感器設(shè)備，根據(jù)要求規(guī)范安裝傳感器，并且連接基樁動(dòng)測(cè)儀。基樁反射波檢測(cè)設(shè)備如圖2 所示。

圖2 基樁反射波檢測(cè)設(shè)備

（2）合理選擇激振方式。檢測(cè)過程中，應(yīng)分析實(shí)際檢測(cè)條件，選擇合適的激振方式，采用合適的能量強(qiáng)度，以期保證測(cè)試質(zhì)量。反射波法的激振器主要是手錘和力棒，錘擊力垂直于樁面，錘擊點(diǎn)盡可能在樁的軸心上，錘擊為瞬態(tài)單擊，不可連擊。對(duì)小樁、短樁或淺部有缺陷的樁，選用鐵錘，錘重可小些，以提高激發(fā)頻率，提高檢測(cè)分辨率。對(duì)大樁、長樁，選用尼龍錘或尼龍棒，錘可重些，以加大沖擊能量，并在敲擊處墊一層膠皮或其他軟墊，以加寬激發(fā)脈沖，減小彈性波在樁身中的衰減。傳感器安裝方面，應(yīng)選擇軟連接方法，位置與樁心間距2/3 半徑，并且遠(yuǎn)離鋼筋籠、錘擊點(diǎn)。清除浮渣后，采用手動(dòng)砂輪磨平方法處理傳感器安裝點(diǎn)。樁身完整性檢測(cè)中，應(yīng)盡量減少樁周土阻力影響，使反射波僅反映阻抗Z 的變化，采用小能量激振，以期減少土阻力激發(fā)，隨樁長增加、側(cè)阻力大的樁，激振能量要求適當(dāng)提高，從而有效檢測(cè)出深部樁身缺陷以及樁底反射。

（3）合理設(shè)置樁激發(fā)條件。預(yù)制（管樁）樁檢測(cè)中，樁頭截除后，傳感器用耦合劑連接，樁長＜10m 時(shí)，選用5 磅鐵手錘（加雙層毛巾或膠皮墊），樁長10～20m 時(shí)，選用尼龍錘（加雙層毛巾），樁長＞20m 時(shí)，選用尼龍棒（加單層毛巾）。

人工挖孔樁檢測(cè)時(shí)，清除樁頭浮漿，傳感器位置磨平并用耦合劑連接，樁徑＜800mm 時(shí)傳感器設(shè)置3 點(diǎn)，樁徑＜1.2m 時(shí)傳感器設(shè)置4 點(diǎn)。

水下灌注鉆孔樁檢測(cè)中，破除樁頭保護(hù)層（＞500mm），傳感器位置磨平并用耦合劑連接，樁長＜10m 時(shí)，選用5 磅鐵手錘（加膠皮墊），樁長10～20m 時(shí)，選用尼龍錘，樁長＞20m 時(shí)，選用尼龍棒。

沉管樁檢測(cè)中，破除樁頭保護(hù)層，傳感器位置磨平并用耦合劑連接，樁長＜10m 時(shí)，選用5 磅鐵手錘（加膠皮墊），樁長10～20m 時(shí)，選用尼龍錘，樁長＞20m 時(shí)，選用尼龍棒。

（4）合理選擇檢測(cè)時(shí)間。樁基檢測(cè)過程中，混凝土強(qiáng)度大小對(duì)測(cè)試信號(hào)影響很大，經(jīng)過多年實(shí)踐認(rèn)為樁身強(qiáng)度＞7d（溫度在5～25℃），并且當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)觀察樁頭顏色為青灰色，才能獲取清晰滿意波形。

2.4 檢測(cè)結(jié)果分析

在分析檢測(cè)結(jié)果時(shí)，應(yīng)基于理論知識(shí)，同時(shí)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析。在分析環(huán)節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下方面。

（1）施工中部分基樁淺部可見顯著大頭，此種波傳播異常，或者界面區(qū)域產(chǎn)生異常強(qiáng)波反射，在此種作用下透射能力逐漸降低，局部面波反射，導(dǎo)致波形曲線與基樁下方實(shí)際情況不一致。此種情況下，應(yīng)砸挖處理大頭部分，然后重新檢測(cè)。

（2）應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注擴(kuò)徑樁基偶數(shù)次反射、入射波同相位和奇數(shù)次反射、入射波反相位，分析其特點(diǎn)差異，避免誤判。在此類分析中較易將徑偶數(shù)次反射誤判為樁基缺陷。

（3）護(hù)筒對(duì)樁基產(chǎn)生縮徑作用，此種縮徑和真實(shí)縮徑較易誤判，但是本質(zhì)上存在顯著區(qū)別。應(yīng)注意區(qū)分?jǐn)U徑后恢復(fù)正常樁徑產(chǎn)生的縮徑問題。此外，入巖區(qū)域嵌巖樁常見塌孔，此種情況較易誤判為反相樁底，進(jìn)而錯(cuò)誤評(píng)估樁長。同等條件下，混凝土強(qiáng)度越高，應(yīng)力波傳播速度越快，但是二者并非簡單的函數(shù)關(guān)系，而是具有復(fù)雜的相關(guān)性。在實(shí)際檢測(cè)中，樁基所用骨料、外加劑、混凝土含水量、鋼筋含量、建設(shè)時(shí)施工工藝、后期樁基養(yǎng)護(hù)等因素均可能影響反射波檢測(cè)[2]。

（4）樁周土阻力對(duì)波形的影響，基樁周圍的土體，受樁土相互作用的影響，應(yīng)力波在土體中向下傳播的過程中不斷衰減，其衰減程度與樁周土土體性質(zhì)有關(guān)，具體表現(xiàn)如下：①導(dǎo)致應(yīng)力波迅速衰減，使有效測(cè)試深度減少。②影響缺陷反射幅值，造成利用幅值進(jìn)行缺陷定量分析時(shí)誤差加大。③在軟硬土層交界面附近產(chǎn)生反射土阻力波，干擾樁身反射信號(hào)，容易產(chǎn)生類似縮頸或其他形式的波形振蕩等假缺陷反射波，與缺陷的反射混淆。④在沒有泥漿護(hù)壁或干作用的施工工藝時(shí)，在孤石較多的場(chǎng)地成樁的灌注樁，由于澆灌的混泥土極其容易與土體中的孤石結(jié)合成一體，類似于嵌巖樁的樁端入巖，這樣當(dāng)應(yīng)力波達(dá)到巖面時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)于錘擊脈沖相反的反射信號(hào)，同時(shí)會(huì)影響到樁底真正的反射信號(hào)，存在孤石地質(zhì)時(shí)反射波法實(shí)測(cè)曲線如圖3 所示。

圖3 存在孤石地質(zhì)時(shí)反射波法實(shí)測(cè)曲線

以上為某工程基礎(chǔ)灌注樁，樁端設(shè)計(jì)持力層為微風(fēng)化花崗巖。有效樁長21～28m，設(shè)計(jì)樁端持力層為微風(fēng)化。進(jìn)行反射波法檢測(cè)時(shí)樁面標(biāo)高約為25m，測(cè)得樁身約10m 附近（高程約15m）存在反向反射波，查詢?cè)擁?xiàng)目地質(zhì)勘察超前鉆報(bào)告得知，該項(xiàng)目地質(zhì)普遍在高程16～21m 存在孤石（微風(fēng)化花崗巖）。樁側(cè)孤石在反射波法檢測(cè)中呈現(xiàn)出反向反射信號(hào)的現(xiàn)象，本次檢測(cè)中普遍存在，并在后續(xù)鉆芯法驗(yàn)證時(shí)，測(cè)得以上各樁樁身完整，持力層性狀均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 反射波檢測(cè)應(yīng)用方法

3.1 反射波波速檢測(cè)

計(jì)算反射波信號(hào)傳播速度時(shí)，樁基材料一維反射波縱波波速描述為c，測(cè)點(diǎn)下樁長描述為L，樁底反射波峰值減去入射波峰值產(chǎn)生時(shí)刻差，描述為Δt，幅值譜中完整樁相鄰峰值頻率差描述為Δf，則波速關(guān)系式如下[3]：

或者：

完整基樁檢測(cè)數(shù)量≥5 根，取其波速平均值，即為受檢樁身材料波速平均值。

3.2 分級(jí)評(píng)價(jià)樁基完整性

樁基完整性分為4 個(gè)等級(jí)，分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類，完整性分級(jí)越高，顯示完整性越差，即缺陷越嚴(yán)重[4]。

（1）Ⅰ類樁。Ⅰ類樁要求樁身結(jié)構(gòu)無殘缺或者異常，可見合理樁底反射。觀察實(shí)測(cè)波速，未超過合理范圍。樁底反射波抵達(dá)前未見同相反射波。

（2）Ⅱ類樁。Ⅱ類樁要求樁身結(jié)構(gòu)無顯著缺損，基本完整，通常為輕微缺陷。可見樁底反射表現(xiàn)基本合理，觀察實(shí)測(cè)波速，基本處于合理范圍，可見較低缺陷反射波幅值。

（3）Ⅲ類樁。Ⅲ類樁與Ⅱ類樁相比完整性相對(duì)較差，但未達(dá)到Ⅳ類缺陷程度通常可見顯著缺陷，需要配合使用鉆芯法檢測(cè)、聲波透射法檢測(cè)等方法，進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取處理措施。在Ⅲ類樁檢測(cè)中，可見同相反射信號(hào)數(shù)個(gè)，產(chǎn)生復(fù)雜波列。樁底反射信號(hào)不合理。根據(jù)反射信號(hào)、樁長信息計(jì)算波速，可見波速與同類完整樁平均波速存在顯著差異，或者可見時(shí)域信號(hào)區(qū)域強(qiáng)異常同相反射信號(hào)。嵌巖端承型樁可見顯著樁底反射，然而反射波與入射波相位一致。

（4）Ⅳ類樁。Ⅳ類樁分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是樁身結(jié)構(gòu)可見嚴(yán)重缺陷，結(jié)果完整性嚴(yán)重不足，失去樁基功能，應(yīng)清除問題樁基重新構(gòu)建完整樁基。該類樁基中無樁底反射，可見多次具有強(qiáng)幅值同相、等間距特點(diǎn)的反射信號(hào)，部分情況下信號(hào)幅值顯著增強(qiáng)，表現(xiàn)為大低頻形式。振源脈沖寬度極窄情況下，可見合并連續(xù)低強(qiáng)度同相反射，此時(shí)頻域?yàn)殡p峰。此種樁基是典型淺部斷樁。

3.3 評(píng)估樁身缺陷位置

場(chǎng)區(qū)相同條件樁的平均波速描述為cm，樁身第n個(gè)缺陷距離描述為Ln，樁身第n 個(gè)缺陷初次反射波峰如入射波波峰時(shí)差描述為Δtn，同一缺陷相鄰峰間頻差描述為Δfn，則樁身缺陷位置計(jì)算方法如下：

或者：

3.4 綜合評(píng)估

檢測(cè)分析反射波波形，根據(jù)波形特點(diǎn)，基于樁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，4 級(jí)劃分工程樁完整性，分析總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，描述樁身結(jié)構(gòu)完整性，記錄波形曲線。此種檢測(cè)的局限性是地質(zhì)條件與樁土互相影響，當(dāng)工程需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)樁承載力時(shí)，應(yīng)實(shí)施高應(yīng)變動(dòng)力試樁試驗(yàn)，或者采用靜載試樁試驗(yàn)方法。此外，上述試驗(yàn)過程中難以細(xì)化缺陷類型，檢出的樁基缺陷可能為裂縫、接縫、材料離析、縮徑、夾泥等問題[5]。軟土樁基常見缺陷如圖4 所示。

圖4 軟土樁基常見缺陷

4 結(jié)語

綜上所述，反射波檢測(cè)可快速無損評(píng)估軟土樁基完整性，檢出樁基樁體裂縫、接縫等不完整缺陷。對(duì)于超長樁必要時(shí)可采用高應(yīng)變動(dòng)力試樁等方法進(jìn)行深度檢測(cè)，定位缺陷。同時(shí)由于地質(zhì)條件對(duì)基樁反射波法檢測(cè)結(jié)果具有較大的影響。因此，檢測(cè)人員要考慮地質(zhì)條件對(duì)反射波法的影響因素進(jìn)行分析，并結(jié)合工程的實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，確保工程基樁的成樁質(zhì)量。