低應(yīng)變反射波法的橋梁樁基檢測實例分析

趙 磊

(山西長治公路勘察設(shè)計院，山西長治 046011)

0 引言

我國土木工程中樁基礎(chǔ)應(yīng)用十分廣泛，樁基礎(chǔ)的質(zhì)量關(guān)乎整體工程質(zhì)量。對混凝土灌注樁的質(zhì)量檢測，主要檢測樁身完整性與樁身承載力。隨著我國大跨橋梁的大量修建，橋梁樁基礎(chǔ)混凝土灌注樁樁身完整性檢測意義變得日益突出，本文即是討論應(yīng)用低應(yīng)變反射波法進行橋梁樁基檢測。

低應(yīng)變反射波法一般是通過樁頂激振，測量樁速度時程曲線，應(yīng)用一維波動理論進行時頻域分析來考察樁身質(zhì)量。該方法不需要預(yù)先埋設(shè)聲測管，現(xiàn)場進行的工作量小，數(shù)據(jù)處理快速，檢測成本低，效率高。李向翠介紹了一種快速、有效的反射波法，從檢測原理到結(jié)合工程實例，闡述了在樁身檢測中的應(yīng)用［1］;陳凡計算了不同點激勵速度風(fēng)致時間差的關(guān)系式，并從振型的角度解釋了管樁頂面不同檢測點處高頻干擾隨加載脈沖變寬時的衰減現(xiàn)象［2］;周佳光闡述了低應(yīng)變動測對缺陷探測時存在相互依賴以及在檢測中應(yīng)注意的方面［3］;吳慶曾闡述了一維桿件中反射波理論依據(jù)，說明了樁產(chǎn)生缺陷的多重因素及完整性檢測的必要性［4］;程建國論證了不同樁基可能出現(xiàn)的缺陷特征是不同的［5］;朱俊針對不同工程實例，分別將聲波透射法、低應(yīng)變法與鉆心法進行了綜合對比，分析了三種方法的各自優(yōu)缺點［6］;柯宅邦建立了更符合工程實際的樁土系統(tǒng)瞬態(tài)振動計算模型，利用有限差分法計算了完整樁在瞬態(tài)軸向力作用下的動力響應(yīng)，比較了三維和一維樁頂軸向速度響應(yīng)的差別，分析表明相對激振半徑、樁周土剪切波速是影響三維效應(yīng)的重要因素［7］。

本文結(jié)合某橋梁樁基礎(chǔ)工程實例，對試驗數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果進行對比分析，明確低應(yīng)變反射波法檢測方法的優(yōu)勢所在和不足之處。

1 低應(yīng)變反射波法基本原理

低應(yīng)變反射波法理論基礎(chǔ)是應(yīng)力波在樁身中的傳播反射行為。此方法的前提假定樁為連續(xù)彈性的一維均質(zhì)桿，同時忽略樁周土對應(yīng)力波的影響。

理論假定:1)各向同性均勻材料;2)等截面直桿;3)平截面假定;4)應(yīng)力均勻分布;5)不計橫向慣性效應(yīng)。

假定樁身變形前的初始截面面積A、密度ρ、彈性模量E等參數(shù)均為坐標(biāo)的函數(shù)，直桿各截面沿軸向的縱向振動位移表示為u(x，t)。由達朗伯原理可以求出桿微元dx的運動微分方程為:

其中，c2=E/ρ，為縱波沿直桿的傳播速度。

可以通過時域與頻域方法對式(1)進行求解，具體過程可以參考相關(guān)文獻。

2 實例分析

2.1 工程簡介

當(dāng)前低應(yīng)變反射波法在全國應(yīng)用都比較普遍，往往作為超聲波法的輔助手段。由于地質(zhì)條件、樁長、樁徑等等影響因素，該方法的檢測結(jié)果離散度比較大。本文以某在建橋梁的11根代表性基樁檢測工程為研究背景，通過對檢測數(shù)據(jù)的分析，進一步總結(jié)這種方法在基樁完整性檢測中的應(yīng)用。由于當(dāng)?shù)貛r石風(fēng)化嚴(yán)重，樁周土土質(zhì)較差，低應(yīng)變反射波法檢測數(shù)據(jù)受樁周土地質(zhì)影響較大。該11根基樁均為摩擦樁，旋挖機鉆孔灌注樁，基樁編號按照檢測順序依次編號，樁長從16.00 m～40.00 m不等，樁徑范圍為1 200 mm～1 800 mm，混凝土強度均為C30，基本情況如表1所示。

2.2 檢測結(jié)果

經(jīng)檢測最終評定為1號，2號，3號，4號，6號與11號為Ⅰ類樁，5號為Ⅱ類樁，9號和10號為Ⅲ類樁，7號和8號為Ⅳ類樁，下面分別以1號，6號，5號，9號，10號和7號基樁檢測數(shù)據(jù)為例進行低應(yīng)變反射波法的基樁質(zhì)量評定。

1號樁樁底反射信號明顯，1.5 m樁身處有類似縮頸信號，混凝土波速偏低，疑似縮頸。后經(jīng)挖檢發(fā)現(xiàn)此處是由于樁頭擴徑后漸變恢復(fù)正常樁徑所致，即通常認為的“大頭樁”。混凝土波速略低于正常范圍，原因是實際樁長略大于設(shè)計樁長。

表1 基樁基本情況

6號樁底無明顯反射信號，無法檢測缺陷，混凝土波速正常。此樁較長且樁徑較大，低應(yīng)變法有時難以獲得樁底反射波，此時可以采用大重量尼龍錘等進行激振，以獲得窄脈沖低頻信號，可以改善此類情形。所以對較長樁，低應(yīng)變反射波法檢測有效性受限。

如圖1所示，5號樁樁底無明顯反射信號，樁身在8.7 m處有明顯縮頸信號，混凝土波速處于正常范圍。但是當(dāng)用超聲波透射法復(fù)測發(fā)現(xiàn)，8.7 m處正常，12.3 m處混凝土離析。應(yīng)變反射波的縮頸信號應(yīng)該是因為樁身在8.7 m以上為漸變擴徑，在8.7 m處恢復(fù)原直徑所致。同時低應(yīng)變法沒有發(fā)現(xiàn)12.3 m處混凝土離析病害。

圖1 5號樁低應(yīng)變反射波法波形

9號樁底有輕微反射信號，樁身在13.6 m，21.8 m處均有縮頸信號，混凝土波速處于正常水平。但是當(dāng)用超聲波透射法檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樁身不但在13.6 m，21.8 m處異常，而且在9.0 m 處PSD值異常，初步認為13.6 m處附近有厚約24 cm的夾泥，9.0 m處混凝土輕度離析。

10號樁底無明顯的反射信號，混凝土波速處于正常區(qū)間，樁身在2.8 m處有輕微的縮頸信號。但是當(dāng)用超聲波透射法檢測，顯示結(jié)果為，在1.8 m處聲速與波幅值明顯低于臨界值，波形異常，22.5 m處波形異常，有少量的夾泥。兩種方法的檢測結(jié)果差距比較大。

7號樁底無反射信號，樁身在17.5 m處有明顯縮頸信號，混凝土波速處于正常范圍，但是當(dāng)用超聲波透射法檢測，顯示結(jié)果為，在28.6 m處存在厚約30 cm的夾泥(基本屬于斷樁)。低應(yīng)變反射波法只能發(fā)現(xiàn)17.5 m處存在縮頸信號，而且無法確定缺陷的具體類型及嚴(yán)重程度，對于28.6 m處的缺陷和樁底沉渣則因能量衰減等原因無法發(fā)現(xiàn)，由此可見單獨使用低應(yīng)變法檢測很容易因漏檢嚴(yán)重缺陷而發(fā)生質(zhì)量事故。

2.3 有效檢測樁長分析

一般情況下，樁長是已知確定性參數(shù)，但極端情況下，受地質(zhì)條件、施工等因素的影響，存在著實際樁長與設(shè)計樁長不相符的情況，使得樁底反射波速受影響。若用設(shè)計完整樁長的波速平均值來反算樁長(一般對于 C30混凝土，波速合理正常范圍為3 700 m/s～4 000 m/s)，如此以來樁長反算結(jié)果可能會超過原始設(shè)計樁長的10%。所以通常情況下，不適合用低應(yīng)變反射波法來測定樁長，也不適合給出具體檢測樁長，但是通過對比已知樁長能夠確定低應(yīng)變放射波法檢測的有效樁長。

表2中，實際樁長均由超聲波透射法的實檢樁長給出，較為準(zhǔn)確可靠，通過對比低應(yīng)變法樁底反射信號就可以確定低應(yīng)變法能夠檢測的有效樁長。由表2可知，對于樁長不小于39.5 m的6號樁和5號樁，樁底已無反射信號，忽略地質(zhì)差異因素，可以謹(jǐn)慎的認為低應(yīng)變反射波法不適宜檢測樁長超過39.5 m的基樁。

表2 有效檢測樁長分析

2.4 檢測結(jié)果準(zhǔn)確性分析

綜合對比低應(yīng)變法檢測結(jié)果與超聲波法檢測結(jié)果，可以判定低應(yīng)變法檢測結(jié)果的可靠性，選取有代表性的5根基樁，兩種方法的檢測對比結(jié)果見表3。由表3可知，低應(yīng)變反射波法對淺部缺陷大多比較靈敏;由7號樁檢測結(jié)果可知，對于多缺陷樁，低應(yīng)變反射波法有可能檢測到較淺的一個，對于較深的第二個缺陷或深部缺陷或許難以有效檢測;8號樁的檢測結(jié)果表明，對位于樁身10.7 m深的嚴(yán)重夾泥缺陷(大約厚15 cm～25 cm)反射信號不夠明顯，可靠性不夠;9號樁的檢測結(jié)果表明，對于多缺陷樁，在某些情況下，也可以檢測到較深的第二個缺陷，由此可見不連續(xù)界面(加泥、孔洞等樁身缺陷)并非消耗下行傳播波能量的唯一因素;同時發(fā)現(xiàn)5號樁與10號樁的兩種方法的檢測結(jié)果有出入。通過以上對比分析發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)變法檢測結(jié)果尚不盡理想，可靠性略低，目前一般作為與超聲波法檢測對比的輔助手段。

表3 缺陷檢測的準(zhǔn)確性分析

3 結(jié)語

本文結(jié)合某在建橋梁的基樁檢測工程實踐，通過對11根典型缺陷樁使用低應(yīng)變反射波法進行檢測，得出以下結(jié)論:

1)低應(yīng)變反射波法存在有效檢測樁長，本文地質(zhì)與樁徑等條件下，低應(yīng)變法適宜檢測樁長不超過39.5 m。

2)通常情況下，低應(yīng)變反射波法對于淺部缺陷較靈敏，但是對于廣義的縮頸信號，無法單獨判斷其具體缺陷類型和嚴(yán)重程度。低應(yīng)變反射波法通過測量樁速度時程曲線，可以簡便快速和相對準(zhǔn)確的來考察樁身質(zhì)量。

3)為提高低應(yīng)變放射波法檢測結(jié)果的可靠性，避免基樁檢測中缺陷漏檢或判定困難，建議與超聲波透射法等其他有效檢測方法配合使用。

［1］李向翠，陳國勇.反射波法在基樁完整性檢測中的應(yīng)用［J］.地震災(zāi)害與環(huán)境保護，1999，10(3)：48-56.

［2］陳 凡，羅文章.預(yù)應(yīng)力管樁低應(yīng)變反射波法檢測時的尺寸效應(yīng)研究［J］.巖土工程學(xué)報，2004，26(3)：353-356.

［3］周佳光.樁基缺陷檢測中應(yīng)該注意的幾個問題［J］.公路交通技術(shù)，2005(2)：78-81.

［4］吳慶曾.論基樁完整性檢測技術(shù)［J］.物探與化探，2000，24(4)：284-295.

［5］程建國，傅樹之.樁基完整性檢測中的若干問題［J］.平原大學(xué)學(xué)報，2004，21(3)：23-24.

［6］朱 俊.橋梁基樁內(nèi)部缺陷檢測方法對比研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［7］柯宅邦，劉東甲.低應(yīng)變反射波法測樁的軸對稱問題數(shù)值計算［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28(12)：2111-2115.