淺析缺陷樁檢測曲線的反射特征

閆洪濤，胡 博，劉國超，穆 晶，杜寶龍

(1.天津市勘察院 天津 300191；2.中鐵六局天津鐵建公司 天津 300100)

0 引 言

太原至中衛(銀川)鐵路簡稱太中銀鐵路，沿線山高谷險、溝壑林立，地質情況十分復雜，樁基礎在橋梁、路基等工程中被大量采用。低應變法測樁以其簡便快捷的優勢，在該線樁基檢測中廣泛應用。

影響低應變測試信號的原因有很多，在太中銀鐵路的大量樁基礎中，通過檢測曲線分析幾種缺陷樁檢測曲線的反射特征，解釋了曲線異常的原因，闡述了針對不同異常檢測曲線應采用的不同處理方法。

本次檢測投入了兩套低應變法檢測儀器，其相應信息如表1所示：

表1 基樁檢測設備一覽表Tab.1 List of foundation pile testing equipment

1 低應變反射波法測樁原理

檢測方法采用低應變反射波法，評價標準執行國家行業標準《鐵路工程基樁無損檢測規程》(TB 10218—1999)，評價標準如表2所示：

表2 基樁質量評價標準表Tab.2 Evaluation criterion for foundation pile quality

2 低應變反射波法檢測原理

低應變反射波法假定樁為一維彈性桿件。

如圖 1所示，在樁頂施加軸向沖擊力，激發出沿樁身向下傳播的應力波，應力波的傳播滿足波動方程：

式中，c2=E/ρ，c表示沿樁身傳播的應力波速度，E表示楊氏模量，ρ表示材料的質量密度。

圖1 低應變反射波法檢測示意圖Fig.1 Schematic diagram of the detection by low strain reflected wave method

當樁身在某一位置的截面尺寸或密實度發生變化時，該界面上、下的波阻抗發生變化，應力波將產生反射和透射，其反射系數為：

式中，Z＝ρ·C·Α，Α表示樁截面尺寸。

通過安裝在樁頂的高靈敏度傳感器接收反射波信號，對接收信號進行時域、頻域分析后，根據檢測曲線的反射特征，分析樁身存在缺陷的性質，評價樁身質量。

根據樁身應力波平均速度V和樁頭到缺陷界面的雙程走時t，按下式計算缺陷的深度H：

3 工程實例分析

3.1 完整樁檢測曲線的反射特征

為了說明基樁存在缺陷時的曲線特征，先給出圖 2的完整樁檢測曲線。該曲線有初至波和樁底反射兩個信號，其余部分沒有反射信息。

圖2 完整樁檢測曲線Fig.2 Detection curve of an integrate pile

3.2 淺部缺陷樁檢測曲線的反射特征

圖 3為太中銀客運專線校場坪橋的基樁檢測曲線。該樁設計樁長40,m，直徑1.5,m。

圖3(a)曲線前部出現低頻振蕩，樁底信號被掩蓋，這種波形反映了在樁身淺部存在嚴重縮徑或離析缺陷。這是因為在樁身淺部存在缺陷時，檢測中仍然按 40,m樁長設定采樣間隔為 80,μs，過大的采樣間隔造成淺部高頻信息的丟失。在該曲線中，4,m左右的第 1個波谷幅值接近前面波峰的幅值，分析在該位置可能存在擴徑，淺部缺陷的深度應不超過4,m。

將樁長設定為4,m，采樣率為10,μs，在樁頂不同位置進行采樣，得到圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)3條曲線，在這3條曲線中，揭示了樁身淺部 1,m左右存在的縮徑缺陷和 4,m處存在的擴徑缺陷。

圖3 淺部缺陷樁檢測曲線Fig.3 Detection curves of a defective pile at shallow part

3.3 斷樁檢測曲線的反射特征

圖 4為太中銀某鐵路橋的基樁檢測曲線。該樁設計樁長30,m，直徑1.25,m。

圖4 斷樁檢測曲線Fig.4 Detection curve of a broken pile

圖4的曲線是在設定樁長30,m的情況下得到的，曲線在12,m 左右出現強反射信號，且尾部發生漂移。分析尾部漂移的原因，應該是樁身在 12,m 處存在嚴重縮徑或夾泥缺陷，由于在檢測中采用長力棒敲擊，即對短樁采用低頻高能量的激發方式，激發出的能量在缺陷處幾乎產生全反射，高能量的反射信號造成了曲線尾部的漂移。換用小錘敲擊后，得到標準的短樁曲線。該樁在12,m處完全斷開。

3.4 嚴重離析樁檢測曲線的反射特征

圖 5為太中銀某鐵路橋的基樁檢測曲線。該樁設計樁長32,m、樁徑1.5,m。

圖5(a)在12,m處出現反射信號，并出現逐步衰減的兩次振蕩。對比圖 3，同樣是用長力棒敲擊，曲線尾部沒有發生漂移，說明樁沒有斷開，有一部分應力波向下發生了透射，但樁底反射信號的能量已經很小，被前面的振蕩信號覆蓋。

圖 5(b)是將樁長設定為 12,m 后的檢測曲線。曲線在12,m處的反射信號平緩，是典型離析缺陷的反映，同時揭示了2,m處的縮徑缺陷。

3.5 存在兩處缺陷的樁檢測曲線的反射特征

圖 6為太中銀某鐵路橋的基樁檢測曲線。該樁設計樁長43,m，直徑1.5,m。

圖5 離析樁檢測曲線Fig.5 Detection curves of a separate pile

曲線存在兩處異常，按該工地樁身平均波速 3,900,m/s計算，第一處異常深度在 5,m左右，第二處異常深度在 14,m左右，并且引起曲線振蕩。

圖6 存在兩處缺陷樁的檢測曲線Fig.6 Detection curve of a pile with two defects

經分析，第一處異常為離析或夾泥缺陷的反映。

第二處異常出現的原因存在兩種可能：①根據地質資料分析，在14.6～15,m的地層為軟塑的粘土層，該異常應為嚴重缺陷的反映，樁身可能已經在該處斷開；②樁身在 6,m處存在擴徑，擴徑信號和第一處異常信號的疊加引起了第二處異常信號，這可以在正演擬合中實現。

為驗證檢測的準確性，對該樁進行了抽芯驗證，在距樁中心35,cm處使用108,mm鉆頭進行抽芯，驗證結果為：在4.6～4.8,m間鉆機進尺明顯加快，巖芯呈蜂窩狀，屬離析缺陷。之后鉆進至 16,m，進尺正常，取芯長度均在 0.8～1.2,m 之間，巖芯完整。在過樁中心的對稱位置進行第二孔抽芯，除在 4.8,m出現異常外，在 13.5,m 處進尺加快，巖芯呈碎塊狀，為夾泥缺陷的反映。抽芯驗證證實了檢測的準確性。

4 結 語

通過上述幾個工程實例的分析，在進行低應變動力檢測時應注意以下幾點：①現場對出現異常信號的樁必須采用更換檢測位置、換用激發器械和改變采樣間隔的方法進行多次測試，在樁存在淺部缺陷這一步時尤為重要。②對存在兩個異常信號的樁，應重點分析產生第 2個異常信號的原因，這是因為第2個異常信號位置深，反映出的缺陷也更為嚴重。③及時搜集工地的地質條件和基樁的灌注記錄，對樁身可能出現的缺陷類型和位置有大致了解。④在充分考慮地質條件和基樁灌注記錄的基礎上，對異常信號進行正演擬合，在論據不充分的情況下需進行抽芯驗證。

綜上，為避免成樁質量事故的發生，首先應當提高質量安全意識，做到精細化施工，完善每道工序的自檢程序，在施工過程中發現問題及時處理，不應報有僥幸心理。同時，總結經驗，保證工程質量。■

［1］TB 10218—1999 鐵路工程基樁無損檢測規程[S].1999.

［2］史佩棟.實用樁基工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

［3］TB 10218—2008 鐵路工程基樁檢測技術規程[S].2008.

［4］段爾煥.樁基試驗與檢測技術[M].北京：人民交通出版社，2003.