低應變反射波法在樁基施工質量檢測中的應用

鐘亮根

(京福閩贛客運專線有限公司，福州 350000)

近年來，隨著工程建設的快速發展，樁基礎作為一種有效、安全、可靠的基礎形式在地基處理中得到了廣泛的應用。但是，樁基礎屬地下隱蔽工程，所以施工過程中難免會出現縮頸、擴頸、斷裂、夾泥、離析等缺陷，這些缺陷都不同程度的影響了樁基質量，進而影響到工程結構物的安全。因此，如何準確的檢測出樁基存在的缺陷成為樁基礎施工質量控制的關鍵。

樁身完整性檢測常用方法包括有:靜載試驗法、高應變法、聲波透射法、鉆芯法等[1]，而低應變反射波法以其便捷經濟、檢測速度快、無損、對現場需求小等優點[2]，已成為國內外樁基檢測中應用最廣泛、最成熟的一項檢測技術，盧生強等通過精伊霍鐵路樁基工程實例，詳細分析了樁基各種缺陷與反射波形特征變化的內在聯系[3];曹三華等結合工程實例總結出低應變反射波法檢測樁基完整性的工作程序和工作要點[4];而白永超等從檢測存在的局限性出發，多方面探討了該技術存在的不足，并提出了相應的解決措施和改進方法[5]。以合福客專路基C20鉆孔灌注樁為檢測對象，通過對實測波形的特征分析，準確的判定了缺陷位置及類型，研究表明，該檢測方法能便捷有效地檢測樁的完整性及成樁質量。

1 檢測原理

低應變反射波法以一維波動方程為理論基礎，把樁簡化為一維彈性均質直桿、縱向振動模型，通過樁頂瞬態激振，給予樁身縱向應力波，應力波在沿樁身向下傳播過程中，當遇到樁身混凝土波阻抗發生變化時，如樁身幾何尺寸(縮、擴頸)、截面材料物理性質變化(離析、夾泥)等，縱向應力波在其界面就會產生入射、反射及透射。因此，根據入射、反射及透射波的波形、相位、振幅、頻率及波的到達時間等特征即可判定樁身混凝土的完整性、缺陷程度及位置范圍。

2 成樁完整性判定

2.1 判定依據

根據應力波在桿縱向傳播遇波阻抗發生變化時，在其界面將發生入射、反射和透射，其波速與波阻抗之間存在下列關系[6-8]:

式中，Ψ=(ρc1Vc1A1)/(ρc2Vc2A2)，為 2 種介質的波阻抗比;反射系數;透射系數;Vc、ρ、A為2種不同波阻抗發生變化處質點運動速度、密度和截面面積;Vi、Vr、Vt分別為入射、反射和透射波波速。

2.2 缺陷類型

由式(1)可知，Ψ、T恒為正，即透射波和入射波方向始終一致。下面通過討論反射系數F的變化來討論反射波的情況，并結合地質、施工資料及波形特征等因素來判定樁的缺陷類型。

2.2.1 無缺陷樁

完整性良好的樁因介質、截面均勻，無波阻抗變化，不發生波的反射，即Ψ=1，F=0，則有Vr=0、Vi=Vt，說明質點以不變的波速向前傳播。

2.2.2 有缺陷樁

(1)Ψ＞1，即ρc1Vc1A1＞ρc2Vc2A2，則F＜0，即反射波與入射波同相位。其中又分為以下兩種情況:

①若A1=A2，則ρc1Vc1＞ρc2Vc2，即樁身截面積不變，則應力波由密度大、傳播速度快的介質向密度小、傳播速度慢的介質傳播，樁下部發生了斷樁或離析;

②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，則A1＞A2，即樁身材料性質不變，則樁身截面發生了變化，應力波由截面積大向截面積小的方向傳播，樁發生縮頸。

(2)Ψ＜1，即ρc1Vc1A1＜ρc2Vc2A2，則F＞0，即反射波與入射波反相位。其中又分為以下兩種情況:

①若A1=A2，則ρc1Vc1＜ρc2Vc2，即樁身截面積不變，則應力波由軟材料向硬材料方向傳播;

②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，則A1＜A2，即樁身材料性質不變，則樁身截面發生了變化，應力波由截面積小向截面積大的方向傳播，樁發生擴頸或樁底嵌固。

2.3 缺陷位置的判定

樁身缺陷位置按下列公式計算[9]

式中l——測點至樁身缺陷的距離，m;

Δt——時域信號第一峰與缺陷反射波峰間的時間差，ms;

Δf'——幅頻曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差，Hz;

Vc——樁身波速，m/s，無法確定時用樁身平均速度替代。

3 檢測影響因素

采用低應變反射波法對樁基進行檢測，如何獲得真實的實測波形圖，成為反映樁身施工質量的關鍵。為盡量避免干擾波的影響，在檢測中應注意以下因素的影響。

3.1 樁頭處理

樁頭混凝土不密實，會導致激振信號振蕩，所采集波形與淺部缺陷波形類似，以致形成誤判。因此，樁頂應鑿至堅硬、密實、新鮮混凝土面并打磨至水平。

3.2 傳感器的耦合

傳感器可用黃油、橡皮泥、石膏等材料耦合，粘結應盡量薄，且安裝后的傳感器必須與樁頂面垂直、牢固、不得有裂縫或浮動砂礫存在，以免影響信號的真實性。

3.3 激振點及傳感器位置

實踐證明，對于鋼筋混凝土灌注樁，以樁中心為激振點、距中心點2R/3處為傳感器安裝點，能更好的獲得反映樁的真實波形，避免因激振點與安裝點距離過近而出現負向反沖波，進而掩蓋樁身淺部缺陷，給分析帶來困難。

同時，激振點及傳感器位置應避開鋼筋籠主筋的影響，避免由鋼筋籠主筋與素混凝土交界面處因波阻抗變小而誤判為斷樁或離析。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

合?？蛯K365+676.48～DK365+739.50路基段DK365+729.50～DK365+739.50采用C20鉆孔灌注樁加固，共40根，樁長3.0～11.0 m，樁徑0.6 m，樁間距2.0 m，按正方形布置，樁體配8根HRB335φ16 mm鋼筋籠，其長度由樁頂進入樁體不小于5 m(樁長＜5 m時，鋼筋籠長度按實際樁長計)，單樁承載力設計值為511 kN。樁體伸入地層共2層，分別為全、強風化千枚巖，σ0=200～300 kPa，地下水為基巖裂隙水，不發育。

4.2 檢測方案

本次樁基完整性檢測設備采用武漢巖土科研所生產的RSM-PRT低應變儀，傳感器為加速傳感器，耦合劑為黃油;鑿去被檢測樁樁頂浮渣，直至露出堅硬、密實的新鮮混凝土面，打磨至水平;激振點位置選擇在樁頂中心，每根樁呈“十”字形在2R/3處布置4個檢測點，確保每根樁檢測點所檢測的有效信號點數均大于3個，如圖1所示。

圖1 激振點及傳感器安裝點布置示意

4.3 數據分析

本次共檢測樁4根，并通過所配套的時域分析軟件對數據進行處理分析。對所檢測樁中具代表性波形分析如下[10，11]。

4－3號樁設計樁長7.0 m，測設波形如圖2所示。

圖2 無缺陷波形

圖2中波形曲線平滑，2L/Vc時刻前無缺陷反射波，且樁底反射波明顯，Δt=3.11 ms，Vc=4 676 m/s，由式(2)計算L=7.27 m，與設計樁長吻合，則樁結構完整性良好。

3－2號樁設計樁長9.0 m，測設波形如圖3所示。

圖3 缺陷波形

由圖3可知:Vc=3 262 m/s，波形曲線在2L/Vc=5.52 ms時刻前出現輕微缺陷反射波，且樁底有弱反射波，Δt=5.90 ms，由式(2)計算L=9.60 m，與設計樁長基本吻合。缺陷波出現位置處傳播時間差為Δt=2.02 ms，則l=3.30 m。根據反射波同相位、樁底有弱反射波，可判定距樁頭3.30 m處存在離析或夾泥，與在此處灌注時換混凝土罐車的施工記錄相吻合。

5 結論與討論

實例應用表明，低應變反射波法是樁基完整性檢測最為有效的方法之一。在實際檢測應用中，根據縱向應力波在不同波阻抗界面發生的入射、反射及透射波波形特征分析，可以較準確的區分樁是否發生縮頸、擴頸、斷樁、離析等缺陷，還可進一步確定缺陷的程度及位置范圍。

由于整個檢測、判定都是基于把樁簡化為一維彈性直桿的基礎上進行的，忽略了桿內外的阻尼和表面摩擦力等諸多影響，所以在對樁的淺部缺陷、多重缺陷、漸變缺陷及缺陷程度的量化等方面有一定的局限性。因此，在進行成樁完整性分析時，還需結合地質、施工記錄等相關資料對樁基施工質量進行綜合判斷。

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[2]梁萬紅，李永志，王仁健.低應變反射波法檢測樁基技術研究[J].交通標準化，2008(02/03):69-72.

[3]盧生強，郭峰.低應變反射波法在精伊霍鐵路樁基檢測中的應用[J].土工基礎，2009(3):82-86.

[4]曹三華，陳宏梅.淺談低應變檢查基樁完整性的工作要點[J].安徽建筑，2002(2):1-4.

[5]白永超，汪城.淺談低應變反射波法在基樁動測中的不足[J].山西建筑，2010(17):82-83.

[6]劉金礪.樁基工程檢測技術[M].北京:中國建材工業出版社，1993.

[7]文霞海，鄭國勇.低應變反射波法樁基檢測的試驗研究[J].路基工程，2009(2):137-139.

[8]徐攸在.樁的動測新技術[M].北京.中國建筑工業出版社，2002.

[9]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程基樁檢測技術規程[S].北京:中國鐵道出版社，2008.

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[11]蔡榮喜.武廣鐵路客運專線混凝土樁基檢測方法及其比選[J].鐵道標準設計，2010(1):121-123.

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