鐵路高性能混凝土基樁檢測波速與強度關系的研究

胡在良，張佰戰，董承全，李晉平

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 檢測概述

混凝土結構完整性是基樁檢測的必檢項目，檢測方法以低應變反射波法和聲波透射法為主，當鐵路工程基樁樁徑＜2 m、樁長≤40 m時采用低應變法檢測，樁徑≥2 m或樁長＞40 m時采用聲波透射法檢測。由于鐵路工程基樁具有長徑比大、承載力高、地質復雜等特點，對于超聲波檢測，雖然在理論上可以準確測出混凝土波速，但是往往因為聲測管彎曲、傾斜等原因，導致波速計算誤差較大;低應變法雖不受聲測管施工質量的影響，但是常出現樁底反射不明顯的現象，無法準確測定波速，導致缺陷位置判定不準確，樁身質量判斷存在誤差。

目前鐵路工程建設中普遍采用高性能混凝土，其組成成份和性能與普通混凝土均有較大差異，以往由普通混凝土提出的混凝土強度與波速關系已不適用于高性能混凝土。本文在參考高速鐵路工程高性能混凝土采用的配合比的基礎上，制作模型樁開展波速與強度試驗研究，研究高性能混凝土強度與波速的關系，提出了高性能混凝土波速參考范圍，為工程基樁檢測提供參考。

2 高性能混凝土波速分析

2.1 彈性介質中的縱波波速

將混凝土材料視為彈性介質，假定混凝土為連續、均勻、各向同性的完全彈性材料，其應力與應變的關系符合虎克定律。文獻［2］分析表明，彈性固體介質中不同邊界條件下縱波波速分別為

式(1)和 式(2)中，vu、vl分別為無限大固體介質與細長桿件中傳播的縱波波速，ρ為混凝土密度，μ為泊松比，E為彈性模量。

在超聲波法檢測中，當頻率f選擇足夠高而使超聲波的波長小于混凝土試件橫向最小尺寸的一半時，超聲波在試件中傳播的速度將與無限大均勻介質中的相當。因此，式(1)為混凝土超聲波波速。

在低應變法檢測中，錘擊激振頻率f較低，瞬態激勵脈沖有效高頻分量的波長遠大于樁的橫向尺寸，且樁橫向尺寸較小且遠小于縱向尺寸，因此，可將樁視為彈性一維桿件。因此，式(2)為混凝土樁低應變波速。

2.2 高性能混凝土波速分析

高性能混凝土配制的特點是低水灰比、摻用高效減水劑和礦物摻合料，因此，高性能混凝土在不同尺度上的組成和結構都與普通混凝土有所不同。

文獻表明［3-4］，高性能混凝土中的粒子比值比普通混凝土的高，水灰比很低的高性能混凝土中，水泥石的孔隙率也很低，在一定的粒子比值下，強度隨孔隙率的減小而提高。低水灰比提高了水泥石的強度和彈性模量，使水泥石和集料間彈性模量的差距減小。高性能混凝土很低的水膠比和較多的礦物細摻料，彈性模量高的未水化熟料顆粒含量大，砂漿的孔隙率很低，彈性模量較高。因此，高性能混凝土波速高于普通混凝土。

3 模型試驗

3.1 配合比設計

參考鐵路工程常用的基樁高性能混凝土采用的配合比，制作C25～C50 6種強度等級模型樁及標準立方體試件。所有原材料的質量均滿足《鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準》的要求，其中碎石采用5～25 mm的連續級配，采用425#普通硅酸鹽水泥，配合比見表1。

表1 高性能混凝土配合比設計

3.2 模型樁制作

試驗制作6種混凝土強度等級(C25～C50)的模型樁，每種各2根，共12根。樁幾何尺寸為20 cm×20 cm×250 cm。鋼筋配置為:主筋φ10 mm的圓鋼4根，箍筋φ6 mm的圓鋼，間距49 cm，鋼筋保護層厚度為2～3 cm。模型樁采用鋼模澆筑，模板為I20工字鋼，具有足夠剛度保證樁各截面尺寸基本相等，采用振動棒振搗確保樁身完整密實無缺陷。澆筑時間均在入冬之前，日最低溫度5℃以上，以防混凝土凍傷，澆筑5 d后移入室內養護。

3.3 標準立方體試件制作

按照C25～C50 6種強度等級澆筑混凝土標準立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)，試件制作與模型樁灌注同時同條件進行，每一強度等級按7 d，14 d，28 d，56 d預留試件，每齡期2組6個，采用與模型樁同條件養護。另預留2組試件，標準養護至28 d進行抗壓試驗。

3.4 室內試驗

波速試驗采用武漢巖海公司生產的RS-1616K(S)型基樁動測儀及 RS-ST01C非金屬聲波檢測儀。每種強度等級模型樁分別在 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d和56 d進行低應變測試，每根模型樁采集波形要求具有較好的一致性，波形數不少于6個，取2根模型樁的平均波速作為混凝土的低應變波速。每種強度等級模型樁在 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d 和 56 d 進行聲波測試(對測)，沿樁長方向布置測點，每根樁測3組波形，取其平均聲時來計算混凝土的超聲波速度。7 d，14 d，28 d和56 d對預留試件進行立方體抗壓強度試驗。

4 試驗結果分析

4.1 抗壓強度增長規律

本次配制的6種基樁高性能混凝土標準養護試件28 d 抗壓強度分別為 35.0 MPa，38.6 MPa，41.8 MPa，50.7 MPa，55.9 MPa 和 68.9 MPa，達到設計強度值的119.4%～139.8%，符合工程基樁混凝土配合比設計要求。根據同條件養護混凝土試件7 d，14 d，28 d，56 d抗壓強度試驗結果，繪制混凝土抗壓強度隨齡期的增長曲線，見圖1。

圖1 混凝土抗壓強度隨齡期增長曲線

圖1中，C25～C50基樁高性能混凝土強度隨齡期增長而增長，其中0～14 d增長迅速，隨齡期增長強度增長速率變緩;在28 d以后強度仍具有一定的增長量，增長幅度為3.6% ～26.7%。

4.2 低應變波速增長規律

根據模型樁 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d 和 56 d低應變波速測試結果，以齡期為橫坐標、波速為縱坐標，繪制低應變波速—齡期曲線，反映不同強度等級基樁高性能混凝土低應變波速隨齡期增長規律，見圖2。

與強度—齡期曲線相似，基樁高性能混凝土低應變波速隨齡期的增長而增長，增長速率隨齡期的增長逐漸變緩，曲線呈上凸形狀。從圖2可以發現，10 d前低應變波速迅速增長，10～28 d波速增長速率變緩，28～56 d波速增長較小，基本趨于穩定。圖2中，C30和C35低應變波速曲線較為接近，C40和C45波速曲線較為接近，這一現象與圖1強度—齡期曲線規律一致，與混凝土配制有關。

4.3 超聲波波速增長規律

為使低應變與超聲波波速具有較好的可比性，對模型樁同時進行超聲波法測試。波速隨齡期增長規律見圖3。

圖3 聲波波速隨齡期增長曲線

圖3中，聲波波速隨齡期的增長而增長，其增長規律與低應變波速增長規律相似。齡期在10 d前，超聲波波速迅速增長，10～28 d混凝土波速增長速率變緩，28～56 d波速增長較小，基本趨于穩定。

與強度增長規律相比，超聲波與低應變波速早期增長較快，28 d后波速基本趨于穩定，而強度仍繼續增長。

4.4 低應變波速與強度關系

以7 d，14 d，28 d和56 d的預留同條件養護立方體試件抗壓強度值為橫坐標，以相應齡期模型樁實測低應變波速為縱坐標，建立低應變波速與強度關系，見圖4。

圖4 低應變波速—強度關系

圖4中，低應變波速隨混凝土強度的增長而增長，低應變波速與強度之間具有較好的相關性。對低應變波速與強度數據進行對數擬合，擬合方程為vl=596.08 lnp+1 980.9，相關系數 r=0.965，式中 p為不同齡期高性能混凝土試件的抗壓強度值，單位為MPa，vl為相應齡期低應變波速值，單位為m/s。

4.5 聲波波速與強度關系

以 7 d，14 d，28 d，56 d 立方體試件抗壓強度值為橫坐標，以相應齡期模型樁聲波波速為縱坐標，建立聲波波速與強度關系，見圖5。

圖5 聲波波速—強度關系

對聲波波速與強度數據進行對數擬合，其擬合方程為 vu=743.83 lnp+1 755.7，相關系數 r=0.995，式中p為高性能混凝土試件的抗壓強度，vu為聲波波速。與低應變波速—強度規律類似，聲波波速也隨混凝土強度的增長而增長，且二者具有較好的相關性。

上述分析表明，高性能混凝土波速與混凝土抗壓強度存在較好的相關關系，波速與強度在整體趨勢上呈正相關關系，即強度高相應的波速也高。

5 波速參考范圍探討

5.1 波速范圍的確定原則

一般情況下，基樁高性能混凝土室內配合比試驗強度高于工程基樁鉆芯及預留試塊強度，且56 d齡期混凝土波速基本穩定，因此，將本次試驗56 d齡期對應的波速作為波速范圍劃定的上限值。取混凝土強度達到設計強度值時對應的波速作為波速范圍的下限值，根據波速—強度關系擬合方程計算。

工程基樁一般不會等到齡期達到28 d或56 d以后才進行測試，TB10218—2008第3.1.4規定:當采用低應變反射波法或聲波透射法檢測時，受檢樁樁身混凝土強度不得低于設計強度的70%且樁身強度應不低于15 MPa。本次試驗推導混凝土達到70%設計強度時對應的波速，作為工程基樁測試的最低波速參考值。

5.2 低應變波速范圍

由低應變波速與強度關系擬合方程，計算強度值為 25，30，35，40，45，50 MPa 對應的混凝土低應變波速。其 值 分 別 為 3 900，4 008，4 100，4 180，4 250，4 313 m/s，以此作為C25～C50高性能混凝土低應變波速范圍的下限波速參考值。以本次試驗56 d混凝土實測低應變波速作為波速范圍的上限參考值，其值分別為4 084，4 177，4 262，4 444，4 456，4 591 m/s。根據擬合方程，計算70%設計強度時對應的低應變波速，作為工程基樁測試的最低波速參考值。C25～C50設計強度的 70% 強度為 17.5，21.0，24.5，28.0，31.5，35.0 MPa，計算得到低應變波速分別為3 687，3 796，3 888，3 967，4 037，4 100 m/s。

結合工程基樁低應變測試經驗及本次試驗結果，對上述數據進行微小調整，給出高性能混凝土基樁低應變波速范圍參考值，見表2。

表2 基樁高性能混凝土低應變波速范圍參考值

5.3 超聲波波速范圍

依據超聲波波速與強度關系擬合方程，計算強度值為 25，30，35，40，45，50 MPa 時對應的聲波波速分別為4 150，4 286，4 400，4 500，4 587，4 666 m/s;70% 設計強度的聲波波速分別為3 885，4 020，4 135，4 234，4 322，4 400 m/s。本次試驗C25～C50混凝土56 d齡期實測聲波波速分別為4 408，4 540，4 685，4 908，4 941，5 056 m/s。進行適當修正后，給出基樁高性能混凝土超聲波波速參考范圍，見表3。

表3 基樁高性能混凝土超聲波波速范圍參考值

高性能混凝土波速除了與強度有關外，還與混凝土的骨料品種、粒徑級配、密度、水灰比、成樁工藝等因素有關，不同工地的高性能混凝土，其檢測波速可能存在一定的差異。但考慮到鐵路工程基樁高性能混凝土的原材料選取及配合比設計要求較為嚴格，且本次高性能混凝土配合比設計及試件抗壓強度分布規律符合工程實際。因此，表2和表3中高性能混凝土的波速范圍可作為工程檢測的參考依據。

6 工程應用

工程基樁測試常因聲測管偏斜、彎曲導致聲波波速計算誤差大、波速臨界值異常且波速曲線顯示異常，影響基樁質量評判，如果單純依靠軟件進行糾偏處理，容易引起數據失真。對于低應變檢測，常存在樁底反射不明顯，缺陷位置判斷誤差大等特點。因此，表2和表3為基樁的判定提供了參考依據，為了驗證表2和表3數據的合理性，本文列舉了兩個典型工程實例進行分析，應用效果較好。

實例1:某鐵路特大橋178-5#樁，樁長63 m，樁徑1.0 m，C30混凝土，聲波檢測表明，在12.5～13.0 m處存在缺陷。該樁采用了低應變對比檢測，且進行了鉆芯驗證，在12.5～13.0 m處混凝土離析，低應變時域曲線見圖6。

圖6 某特大橋178-5#樁低應變時域曲線

圖6時域曲線中，在 t=6.05 ms處存在同向特征，樁底無明顯反射信號。根據聲波法與鉆芯法檢測的缺陷部位，推算低應變波速為4 132 m/s，與表2提供的波速參考范圍相吻合。

實例2:某特大橋171-5#樁，樁長66.5 m，樁徑1.0 m，C40混凝土，采用聲波透射法檢測。圖7(a)為實測聲波曲線，僅列舉1-3剖面進行說明，管間距580 mm，聲測管在47 m左右存在嚴重彎管現象，該剖面波速平均值5 539 m/s、波速臨界值847 m/s，波速曲線超出顯示范圍，不符合規范要求。該樁波幅與PSD(波速異常斜率法判據)正常，綜合判斷樁身混凝土質量良好，根據表3的波速范圍進行修正，修正后剖面波速平均值4 645 m/s、波速臨界值4 000 m/s，波速曲線顯示良好，見圖7(b)。

圖7 某特大橋171-5#樁聲波曲線

7 結語

本文通過對基樁高性能混凝土波速與強度試驗，分析探討了波速與強度的增長規律及波速參考范圍。主要結論如下:

1)基樁高性能混凝土強度隨齡期增長而增長，增長速率隨齡期增長而變緩，其中0～14 d增長迅速，28 d以后強度增長幅度為3.6%～26.7%。

2)波速與強度之間存在較好的相關性;波速隨齡期的增長而增長，但與強度增長規律相比，波速隨齡期的增長速率較快，28 d以后波速基本穩定。

3)給出了高性能混凝土低應變與超聲波波速參考范圍，為工程基樁檢測提供參考。

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