談低應(yīng)變反射波法在基樁檢測(cè)中的應(yīng)用

邱麗章

(汕頭公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東汕頭 515041)

樁基礎(chǔ)具有承載能力大、抗震性強(qiáng)、沉降量小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，它能有效地將橋梁自重及其所受荷載通過(guò)樁土間的共同作用傳遞到樁周和樁底巖土中。樁基礎(chǔ)質(zhì)量的好壞對(duì)結(jié)構(gòu)安全起到至關(guān)重要的作用，但由于樁基礎(chǔ)屬隱蔽工程，質(zhì)量控制具有不確定性，工程上必須高度重視對(duì)其質(zhì)量的檢測(cè)。低應(yīng)變法反射波法在各種樁基完整性檢測(cè)方法中具有檢測(cè)快速、高效、成本低廉及設(shè)備輕便等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，它是以一維波動(dòng)理論為理論依據(jù)。

1 低應(yīng)變反射波法的原理

一維彈性桿平面應(yīng)力波波動(dòng)理論是低應(yīng)變反射波法的理論基礎(chǔ)，它將樁假定為一維細(xì)長(zhǎng)彈性桿，當(dāng)樁頂面受到縱向力錘擊時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律及虎克定律可得樁的縱向波動(dòng)方程其中，C為縱波波速(E為楊氏模量，ρ為密度)

當(dāng)應(yīng)力波沿樁身傳播遇到不同阻抗分界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射與透射，根據(jù)應(yīng)力波理論和牛頓第三定律可得vI+vR=vT，A1(σ1+σR)=A2σT，根據(jù)波陣面上動(dòng)量守恒條件有 Z1(vI－vR)=Z2vT，其中，分別以下標(biāo)I，R，T表示入射波、反射波及透射波，v，σ分別為應(yīng)力波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和應(yīng)力，由上述方程聯(lián)解可得vR=－FvI，vT=TvI，n= ρ1C1A1/ρ2C2A2，F(xiàn)=(1 － n)/(1+n)，其中，F(xiàn) 為反射系數(shù);T為透射系數(shù);ρCA為廣義波阻抗。

根據(jù)以上原理可以得出樁身完整性的判別標(biāo)準(zhǔn):

1)完整樁:由于樁身不存在阻抗有變化的區(qū)域，即ρ1C1A1=ρ2C2A2，n=1，F(xiàn)=0，被測(cè)波形中只有樁底反射信號(hào)無(wú)缺陷反射信號(hào)。當(dāng)樁基為摩擦樁時(shí)，由于樁身材料的ρ1C1遠(yuǎn)大于樁底持力層的 ρ2C2，則 n＞1，F(xiàn) ＜0，vR＞0，可得反射波與入射波同相位;當(dāng)樁基為嵌巖樁時(shí)，由于樁身材料的ρ1C1遠(yuǎn)小于樁底基巖的ρ2C2，n＜1，F(xiàn) ＞0，vR＜0，可得反射波與入射波反相位。

2)擴(kuò)徑類樁:由于 ρ1C1A1＜ ρ2C2A2，則 n ＜1，F(xiàn) ＞0，vR＜0，反射波與入射波反相位。

3)縮徑類樁:包括縮徑樁、離析樁和斷樁，由于 ρ1C1A1＞ρ2C2A2，則 n ＞1，F(xiàn) ＜0，vR＞0，反射波與入射波同相位。

因此，可以利用反射波與入射波的相位情況及幅值的相對(duì)高低來(lái)評(píng)價(jià)樁身完整性，通常認(rèn)為如果缺陷處有同向反射信號(hào)且反射波幅值愈高，那么缺陷就愈嚴(yán)重。本文主要探討了反射波法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題以及對(duì)反射波法的一些認(rèn)識(shí)。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)注意的問(wèn)題

要想準(zhǔn)確地對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，首先要保證采集到的信號(hào)是優(yōu)質(zhì)信號(hào)。好的波形有以下特點(diǎn):波形真實(shí)反映樁的實(shí)際情況，有明顯或較明顯的樁底反射波或有明顯缺陷反射;多次錘擊的波形重復(fù)性好;波形光滑，無(wú)干擾信號(hào)，不包含毛刺或振蕩波形;信號(hào)回零，波形最終回歸基線;起始信號(hào)不削波。所以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)排除各種干擾因素，直至采集到有效、高質(zhì)量的波形。

1)樁頭處理。首先，受檢樁檢測(cè)時(shí)混凝土強(qiáng)度應(yīng)至少達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不少于15 MPa。其次，受檢樁應(yīng)鑿除樁頭至設(shè)計(jì)標(biāo)高，且鑿去全部浮漿，露出堅(jiān)硬密實(shí)的新鮮混凝土，樁頂面基本平整，打磨位置平整光滑。如果樁頭浮漿未清除干凈或樁頭混凝土質(zhì)量差，通常情況下得到的是振蕩波形曲線，嚴(yán)重影響測(cè)試信號(hào)的真實(shí)性，從而導(dǎo)致誤判。最后，樁頂外露自由端鋼筋不宜過(guò)長(zhǎng)，在錘擊力作用下自由端鋼筋容易產(chǎn)生諧振，使反射信號(hào)疊加上自由端鋼筋的諧振信號(hào)，從而導(dǎo)致誤判。2)傳感器的安裝。傳感器應(yīng)垂直的安裝在平整的打磨點(diǎn)上，所使用的耦合劑應(yīng)盡可能薄，同時(shí)應(yīng)保證傳感器與樁身具有足夠的耦合剛度;對(duì)于實(shí)心樁，傳感器安裝點(diǎn)位于距樁中心約2/3半徑處，對(duì)于空心樁，傳感器安裝點(diǎn)與錘擊點(diǎn)夾角約為90°。3)力錘的選擇和激振方式。不同材質(zhì)和重量的錘，敲擊產(chǎn)生的入射波其脈沖寬度和頻率成分各不相同，而脈沖寬度和頻率成分對(duì)缺陷深度及其程度的識(shí)別精度是不同的。錘頭質(zhì)量較大或剛度較小時(shí)，沖擊入射波脈沖較寬，以低頻成分為主，應(yīng)力波傳播距離較遠(yuǎn)，但對(duì)缺陷的分辨率較低，適用于測(cè)長(zhǎng)樁或?qū)χ邢虏咳毕莸淖R(shí)別。錘頭較輕或剛度較大時(shí)，沖擊入射波脈沖較窄，含高頻成分較多，能提高對(duì)缺陷的分辨率，適用于樁身淺部缺陷的識(shí)別。通常，測(cè)短樁或淺部缺陷應(yīng)采用質(zhì)量輕、錘頭較軟的小錘，測(cè)長(zhǎng)樁或深部缺陷應(yīng)采用質(zhì)量大、錘頭較硬的大錘。

選擇好激振錘后，應(yīng)正確把握好激振的方法，方能采集到高質(zhì)量的波形。把握好激振方法，要特別注意以下兩點(diǎn):1)敲擊力要鉛直集中，盡可能使振動(dòng)模式單一。2)激振能量要適當(dāng)，通常在能看到樁底反射波的前提下盡量小，盡量減少樁周土體參與振動(dòng)，以減少對(duì)波形干擾。

3 反射波法檢測(cè)樁身質(zhì)量的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1)樁身混凝土強(qiáng)度與波速。雖然混凝土的彈性波速與其強(qiáng)度是正相關(guān)的，但并不是簡(jiǎn)單的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，影響波速的因素有骨料的品種、混凝土的配比、入射波頻率和樁周土的影響、樁身是否存在缺陷等。因此，利用反射波法推定樁身混凝土強(qiáng)度是不科學(xué)的，但通過(guò)對(duì)同一工地甚至是同一地區(qū)的樁基進(jìn)行大量的比對(duì)分析，就能獲得有規(guī)律的資料，可根據(jù)波速對(duì)樁身強(qiáng)度做出定性判斷。當(dāng)實(shí)測(cè)波速明顯比同一工地樁基平均波速偏低或偏高，應(yīng)引起檢測(cè)人員的高度重視，因?yàn)檫@很可能顯示樁身混凝土強(qiáng)度不足、樁長(zhǎng)不夠或者樁身下部存在嚴(yán)重缺陷。例如某橋梁工程，樁身強(qiáng)度等級(jí)為C25，該工地樁基平均的正常波速為3 800 m/s～4 000 m/s左右，但檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有兩根樁波速明顯偏低，只有3 300 m/s左右，懷疑樁身混凝土強(qiáng)度不足，后來(lái)通過(guò)抽芯取樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果證明兩根樁混凝土強(qiáng)度不合格。

2)測(cè)試盲區(qū)與淺部缺陷。樁頂以下2 m左右深度范圍內(nèi)是低應(yīng)變反射波法的測(cè)試盲區(qū)，在測(cè)試盲區(qū)應(yīng)力波傳播復(fù)雜，不滿足平面波假設(shè)，信號(hào)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(hào)，將與能量較大的入射波重疊在一起，實(shí)測(cè)波形可能會(huì)出現(xiàn)振蕩信號(hào)或者因沖擊脈沖掩蓋淺部缺陷反射波造成漏判。由于在樁基工程中經(jīng)常遇見(jiàn)樁身淺部缺陷，從樁身軸力傳遞規(guī)律可知，該類缺陷位置淺，在荷載作用下最易發(fā)生材料破壞，因此對(duì)工程質(zhì)量危害極大。

通常淺部缺陷有以下三種典型波形:大低頻信號(hào)、明顯的周期反射波形、大低頻疊加周期反射波形，這是明顯的缺陷提示。另外，如果入射脈沖較寬，或首波為非半正弦波或呈明顯不對(duì)稱半正弦波，此時(shí)應(yīng)當(dāng)懷疑是淺部缺陷反射波與首波疊加造成的。

對(duì)于樁身淺部缺陷，可能因入射信號(hào)掩蓋樁頂附近的缺陷反射信號(hào)而導(dǎo)致對(duì)缺陷的漏判，如何避免這種情況的發(fā)生。首先，可以選用靈敏度高、高頻性能好、阻尼比恰當(dāng)?shù)募铀俣葌鞲衅鱽?lái)提高對(duì)樁身淺部缺陷的分辨率。其次，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，可以通過(guò)降低敲擊力度、增大錘頭硬度、減小錘體質(zhì)量以及在樁頂選擇堅(jiān)硬部位敲擊等措施來(lái)增加激振信號(hào)的高頻成分，可以有效提高盲區(qū)內(nèi)缺陷的識(shí)別精度，例如使用能產(chǎn)生較高頻率脈沖的脆性尼龍手錘，甚至是鋼筋頭進(jìn)行輕敲，可以很好地分辨出淺部缺陷。

3)樁周土的影響。由于樁周土對(duì)樁身中應(yīng)力波的傳播具有阻力作用，樁身應(yīng)力波所到之處激發(fā)出的土阻力波能引起樁身質(zhì)點(diǎn)反向振動(dòng)，從而使應(yīng)力波發(fā)生指數(shù)衰減。因此，利用反射波幅值進(jìn)行缺陷定性分析會(huì)使誤差增大，應(yīng)力波衰減嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)樁身質(zhì)量的誤判。

實(shí)踐證明，不同的土層狀況對(duì)波形影響各不相同，土層性質(zhì)對(duì)樁中波傳播特性的影響很大。當(dāng)軟弱土層中存在堅(jiān)硬土夾層時(shí)，波形曲線在堅(jiān)硬土層位置會(huì)出現(xiàn)反向反射信號(hào)，容易得出擴(kuò)頸的錯(cuò)誤結(jié)論;當(dāng)較堅(jiān)硬土層中存在軟弱土夾層時(shí)，波形曲線在軟弱土層位置會(huì)出現(xiàn)同向反射信號(hào)，容易得出缺陷的錯(cuò)誤結(jié)論。因此在檢測(cè)過(guò)程中要根據(jù)實(shí)測(cè)波形和工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、對(duì)樁基受力的要求、地質(zhì)資料、施工記錄、成樁工藝等方面進(jìn)行綜合分析評(píng)定。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管低應(yīng)變反射波法理論上已日臻成熟，但其仍然是一項(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的檢測(cè)技術(shù)，很大程度上需要依靠檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)去分析評(píng)定，這就要求基樁檢測(cè)人員不僅要具備扎實(shí)的理論知識(shí)，還應(yīng)有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在檢測(cè)過(guò)程中注重每一個(gè)細(xì)節(jié)，才能對(duì)采集到的波形曲線作出公正、科學(xué)、客觀的分析判斷，以確保工程質(zhì)量。

［1］JGJ 106-2003，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］羅騏先.樁基工程檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］陳 凡，徐天平.基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，2003.