基樁低應(yīng)變反射波法時域信號識別技術(shù)研究

楊秦虎

（赤峰市巴林右旗建設(shè)局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

基樁低應(yīng)變反射波法時域信號識別技術(shù)研究

楊秦虎

（赤峰市巴林右旗建設(shè)局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

椐據(jù)檢測實踐和現(xiàn)場試驗結(jié)果，對低應(yīng)變反射波法檢測中經(jīng)常出現(xiàn)的典型時域信號進(jìn)行了分析研究.結(jié)果表明，傳感器粘貼好壞、肓區(qū)內(nèi)淺部缺陷、長樁段擴(kuò)頸現(xiàn)象，樁周土中軟硬夾層的組合特性及嵌巖樁樁底巖土特性變化等，在檢測曲線上均具有典型的反射信號.正確認(rèn)識這些反射信號的特征，可以保證基樁低應(yīng)變反射波法的檢測效果.

基樁；反射波法；典型信號；完整性；識別技術(shù)

樁基是基礎(chǔ)工程中最重要的基礎(chǔ)形式之一，在樁身完整性檢測方法中，低應(yīng)變反射波法應(yīng)用最為普遍，也是國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)首推的方法.但在實際應(yīng)用中，該法具有一定的局限性.由于反射信號的影響因素多變，該法的使用效果主要取決于測試分析人員對巖土工程、施工工藝的理解及波形測試實踐與分析經(jīng)驗.為了提高該法的實際應(yīng)用效果，筆者根據(jù)檢測實踐和現(xiàn)場試驗結(jié)果，對低應(yīng)變反射波法檢測中經(jīng)常出現(xiàn)的典型時域信號進(jìn)行了分析研究.

1 傳感器粘貼效果識別

從理論上講，傳感器越輕且越貼近樁頂面，測試信號也越接近樁面質(zhì)點振動，測試效果越好.

目前，傳感器安裝普遍采用粘貼方式.橡皮泥具有柔性大、污染小、衰減小、價格便宜等優(yōu)點，將橡皮泥用作傳感大器的黏合劑一般可取得較好的檢測信號.如果樁同處理不平整、樁頂面未清洗干凈或寒冷季節(jié)使用，傳感器常會出現(xiàn)虛粘現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測信號失真，影響判識.因此，用橡皮泥作黏合劑時，如果出現(xiàn)首波明顯加寬、信號波浪式振蕩等異常現(xiàn)象，應(yīng)首先考慮傳感器粘貼不牢，需重新粘結(jié)牢后再做檢測.圖1為同一根樁傳感器虛粘和粘合牢固時的對比檢測曲線.

由圖1可以看出，傳感器粘合牢固，波形規(guī)則，樁底反射信號清晰；傳感器粘合不良，可導(dǎo)致首波變寬，信號震蕩明顯加大，樁底反射信號沒出現(xiàn)或不明顯，大大降低了檢測信號的判斷效果.

2 測試盲區(qū)內(nèi)的缺陷識別

樁身淺部缺陷是樁基工程中最常見的缺陷.從樁身軸力傳遞特性可知，該類缺陷位置淺，在工作荷載下最易發(fā)生材料破壞，并且對工程質(zhì)量危害最大.同時，淺部缺陷造成波形畸變，并且這種畸變很容易使樁身其他部位產(chǎn)生缺陷屏蔽.

樁頂至其以下2m左右深度范圍稱為測試盲區(qū).在測試盲區(qū)樁頂應(yīng)力波傳播復(fù)雜，信號干擾大.如果盲區(qū)內(nèi)存在缺陷，由于激振脈沖有一定的寬度，則在脈沖寬度內(nèi)，應(yīng)力波遇到缺陷產(chǎn)生的上行反射波信號，將與能量較大的入射重疊在一起，從而給樁身淺部缺陷信號的判別增加難度.

盡管測試盲區(qū)的樁身缺陷判別難度較大，但并不是無法判斷，因為該類缺陷發(fā)生頻率高、位置淺，易于通過開挖方式予以驗證，所以可以通過不斷的對比測試和開挖驗證，來找出該類缺陷在曲線上的特征和變化規(guī)律，以指導(dǎo)該類缺陷的識別.實踐表明，根據(jù)以下特征對樁身淺部缺陷特別是嚴(yán)重缺陷進(jìn)行判別效果較好.

完整樁波形，衰減規(guī)則，無缺陷反射波存在，樁底反射信號清晰（見圖2（a））.如果波形特征表現(xiàn)為較寬的入射脈沖，或首波為非半正弦波或呈明顯不對稱半正弦波，波形在整體上呈現(xiàn)低頻大振幅衰減振動，波形振蕩延續(xù)時間長（見圖2（a）），首波后反沖異常增大（見圖2（c）），反沖后曲線明顯在零線以上較長時間不歸零或質(zhì)點振動幅值異常增大（見圖2（d）），則表明有淺部斷樁或其他類型的嚴(yán)重淺部缺陷存在.一般來說缺陷越嚴(yán)重，缺陷位置越淺，曲線異常特征越明顯.此外，淺部位的全斷面缺陷還常伴有敲擊聲音異常或明顯的樁頂和樁周土振動感等.

因為當(dāng)敲擊樁頭產(chǎn)生的脈沖較寬時，直達(dá)信號常常會掩蓋樁頂附近的缺陷反射信號，所以可以利用靈敏度高、阻尼比恰當(dāng)、高頻性能好的傳感器，來提高樁身淺部缺陷的分辨率.在現(xiàn)場檢測時，一般是通過增加錘頭的硬度、減小錘體尺寸和質(zhì)量以及在樁頂堅硬點激發(fā)等措施，來增加激振信號的高頻成分，這可以有效提高盲區(qū)內(nèi)缺陷的識別精度.例如，使用能激發(fā)出較低頻率脈沖的大質(zhì)量木棒敲擊樁頂時難以精確辨識出的淺部缺陷，在較高頻率脈沖中的脆性尼龍錘敲擊下可以清晰地顯示出來（見圖3）

3 長樁段擴(kuò)頸樁信號識別

實踐證明，樁身擴(kuò)頸不會對基樁的正常使用產(chǎn)生不利影響，因此，檢測分析中一般不將擴(kuò)頸看作是樁身缺陷.從樁身應(yīng)力波反射規(guī)律可知，樁身擴(kuò)頸引起的樁身反射信號與缺陷反射信號具有相反的相位特征.正常情況下，樁身的擴(kuò)頸信號與主信號極易辨別.一般來說，擴(kuò)頸在檢測曲線上表現(xiàn)為單一的負(fù)向反射信號.如果樁峰某處擴(kuò)頸明顯且長度較大，則在擴(kuò)頸段開始處反相擴(kuò)頸信號明顯，在擴(kuò)頸段結(jié)束處也會因樁身截面恢復(fù)到正常截面而出現(xiàn)明顯的正向反射信號，僅從反射相位來分析，此反射信號與正常的樁身缺陷信號難以區(qū)別，此時應(yīng)將檢測信號與樁底反射特征、土層分布和基樁施工情況結(jié)合起來進(jìn)行綜合判定，否則可能造成嚴(yán)重誤判.圖4為一般擴(kuò)頸與長樁段擴(kuò)頸的對比曲線.由圖4（a）可以看出，該樁樁頂以下11m左右處的單一擴(kuò)頸表現(xiàn)為同一深度處有一明顯的單一負(fù)反射信號，樁底反射信號清晰.

由圖4（b）可以看出.該樁樁頂以下5.2m處出現(xiàn)非常明顯的負(fù)向信號，表明該深度處樁身出現(xiàn)非常明顯的擴(kuò)頸現(xiàn)象，但10.8m處又出現(xiàn)一非常明顯的正向反射信號，表明該深度處截面縮小非常明顯，似乎存在嚴(yán)重的樁身缺陷現(xiàn)象.綜合分析檢測曲線、施工記錄和土層分布特征后發(fā)現(xiàn)，5.0-11.0m范圍內(nèi)混凝土灌筑理論方量為15.1m3，但施工中實際澆筑方時為32.6m3，出現(xiàn)嚴(yán)重的超灌現(xiàn)象.據(jù)此計算，該范轉(zhuǎn)內(nèi)實際樁徑超過1600mm，即該擴(kuò)頸段樁身阻抗為設(shè)計樁身阻抗的4倍以上，因此，10.8m處的正向反射信號即為該擴(kuò)頸段結(jié)束處的正常反射信號.考慮到該樁樁底反射較明顯，將該樁判為完整樁，從而避免了樁身質(zhì)量的嚴(yán)重誤判.為慎重起見，在該樁樁頂至其以下13.0的范圍內(nèi)進(jìn)行了取芯驗證，并利用取芯孔進(jìn)行了聲波透射法檢測.檢測結(jié)果表明，10.8m左右處無樁身缺陷.

4 樁周土阻力對波形的影響

由于樁周土對樁身中應(yīng)力波的阻力作用，樁身應(yīng)力波所到之處均激發(fā)出能引起樁身質(zhì)點反向振動的土阻力波，應(yīng)力波發(fā)生指數(shù)衰減，淺部樁周土阻力引起的上行壓力波還可導(dǎo)致首波出現(xiàn)寬緩的負(fù)向反沖信號.

由于樁周土阻力會導(dǎo)致應(yīng)力波衰減，利用幅值進(jìn)行缺陷測試深度會減小；同時樁身正常反射信號的接收會受到干擾，應(yīng)力波衰減嚴(yán)重時可導(dǎo)致對樁身質(zhì)量的誤判.

實踐表明，土層性質(zhì)對樁中波傳播特性的影響很大，且不同的土層狀況對波形有不同的影響.較堅硬土層中存在軟弱土夾層時，波形曲線在軟弱土層位置會出現(xiàn)同向反射信號，容易得出缺陷的錯誤結(jié)論，軟弱土層中存在堅硬土夾層時，波形曲線在堅硬土層位置會出現(xiàn)反向反射信號.容易得出擴(kuò)頸的錯誤結(jié)論.

圖5（a）為接樁位置在樁頂以下11m處時樁的檢測曲線.該樁樁底反射信號明顯，樁頂以下18m范圍內(nèi)以硬塑粉質(zhì)粘土為主，地基承載力達(dá)120kpa.由于在深度15左右處存在一厚度為1.5m左右的有機質(zhì)豐富的淤泥質(zhì)土，地基承載力僅為35kpa，因此在該樁樁頂以下的14.7m處出現(xiàn)明顯的正向反射，應(yīng)是軟弱土層所致，而非樁身缺陷反射.

圖5（b）對應(yīng)的樁，在施工深度范圍內(nèi)土層總體以淤泥質(zhì)軟土為主.但鉆孔資料顯示該處樁頂以下12-14m處存在一較硬的含礫砂層，該層土的地基承載力是上下土層承載力的5倍多，由于PHC管樁不可能存在阻抗明顯增大段，該樁樁頂以下13m左右處出現(xiàn)明顯的負(fù)向反射，一定是由軟弱土層中所夾的較堅硬土層造成的.

5 嵌巖樁樁底反射識別

嵌巖樁是指樁端嵌入基巖一定深度的大直徑灌注樁，它主要應(yīng)用于特大橋、高層建筑、重型廠房等建筑物的基礎(chǔ).由于嵌巖樁樁底持力層為基巖，基巖特性、風(fēng)化狀況及樁底沉渣情況不同，嵌巖樁樁底反射與摩擦樁樁底反射相比較，常常具有更為復(fù)雜的信號特征.

5.1 無樁底反射

由應(yīng)力波傳播原理可知，當(dāng)樁底巖石的波阻抗相差不大時，即使樁較短，樁底反射也難以辨認(rèn).圖6（a）為赤峰某工程輕微嵌和微風(fēng)化砂巖的人工挖孔樁的檢測曲線.由于樁底巖層堅硬，樁底無沉渣存在，該檢測曲線樁底反射不明顯.

5.2 同向型反射

當(dāng)樁底為強度較低的砂頁巖或強風(fēng)化巖石，或嵌巖深度小或未入巖，或樁底沉渣較厚時，樁底巖土層波阻抗可能明顯小于樁身混凝土的波阻抗，此時樁底反射類似于摩擦型樁的樁底反射.圖6（b）為赤峰某職業(yè)學(xué)校輕微進(jìn)行強風(fēng)化砂巖的人工挖孔檢測曲線.由于樁底巖石強度較低，該檢測曲線出現(xiàn)了明顯的同向樁底反射.

5.3 反向型反射

大多數(shù)情況下嵌巖樁入巖深度為1.5-3.0D（D為樁徑），當(dāng)樁嵌入的巖層強度較混凝土高，或入巖深度較大，樁端嵌巖部分與基巖構(gòu)成一體時（此時相當(dāng)于樁的截面積變大，波阻抗突然增大），檢測曲線出現(xiàn)與入射波方向相反的樁底反射，如圖6（c）所示.

5.4 先負(fù)后正型反射

當(dāng)入巖深度較大時，樁身應(yīng)力波在基巖面會發(fā)生反向反射，同時透射波沿嵌入巖層中的樁身混凝土繼續(xù)向下傳播.若嵌入的巖層相對較軟或樁底沉渣較厚，則入嵌段樁身與樁底巖土層間會產(chǎn)生同向的樁底反射.圖6（d）赤峰某橋梁嵌入高強度流紋巖的鉆孔樁檢測曲線.從該曲線可以看出，該樁在約37m位置處入巖，反向反射明顯.但該樁與其他樁不同的是，樁底出現(xiàn)明顯的同向反射.分析結(jié)果表明，該同反射源自該樁過厚的樁底沉渣.這一結(jié)論與其后進(jìn)行的鉆芯法檢測結(jié)果一致.鉆芯法檢測發(fā)現(xiàn)，該樁樁沉渣厚度超過50mm，大大超過設(shè)計要求.

6 結(jié)語

本文要椐據(jù)基樁完整性檢測現(xiàn)場對比試驗，給出了低應(yīng)變反射波法檢測技術(shù)中常見的幾種典型檢測時域信號曲線的識別特征.實踐表明，盲區(qū)內(nèi)淺部缺陷和長樁段擴(kuò)頸現(xiàn)象在檢測曲線上均具有典型的反射信號特征，傳感器粘貼質(zhì)量、樁周土中軟弱層夾層或堅硬土層夾層的組合類型以及嵌巖樁樁底巖土特性等，在時域檢測曲線上均會出現(xiàn)相應(yīng)的反射信號.因此，只有正確認(rèn)識這些反射信號的特征，才能保證基樁低應(yīng)變反射波法的檢測效果.

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TU473.16

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1673-260X（2010）05-0101-03