低應變法檢測樁基礎工程的樁身完整性研究

李衛慶，薛志成，裴 強

（1.廣州市吉華勘測股份有限公司，廣東 廣州 511400；2.黑龍江科技大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000；3.大連大學 土木工程技術研究與開發中心， 遼寧 大連 116622）

低應變反射波法[1,2]是低應變動力試樁最常用的方法之一，其設備簡便、成本低、方法快捷、檢測結果較可靠，是檢測樁身完整性的一種有力手段。實際工程基樁質量檢測中，基樁質量在承擔地基基礎中的作用尤其重要，并經多年應用與研究，低應變反射波法得到廣泛應用并已納入廣東省標及國家基樁相關規范[3-5]中。然而，施工現場地質條件復雜，不同的樁型和施工工藝以及檢測人員的技術水平等因素都將會影響實測信號質量的采集，容易造成對樁身質量的錯誤判定，從而帶來隱性的工程質量與安全事故。因此，本文基于以一維應力波為基礎理論的低應變反射波法，結合工程案例，對不同類型的缺陷樁進行分析，研究實測波形曲線反射信號特證與樁身完整性之間的關系，為正確評價基樁質量提供參考。

1 一維彈性桿波動方程建立

低應變反射波法理論是以一維波動方程為理論基礎，假定樁為一維線彈性桿，研究樁頂在激振力作用下產生應力波沿樁身向下傳播的樁土體系動態響應。在滿足波長λ小于樁長L，且波長λ大于樁徑D的前提下，忽略土阻力變化，建立一維桿波動方程：

2 質點運動速度反射波和透射波與入射波的關系建立[6]

圖1 波傳播受土阻力及阻抗變化的影響

基于特征值法求解波動方程式（1），則有：

根據界面處力平衡和速度連續條件有：

不考慮界面附近土阻力分布及其變化，由式（2）和式（3）得到：

在低應變檢測樁身完整性試驗中，一般只考慮速度量，對樁身波阻抗或樁端界面變化處分三種情況進行討論：

3 樁身混凝土強度與地區經驗波速之間的關系

表1 樁身混凝土強度與地區經驗波速之間的關系

4 低應變法檢測樁身質量

基樁檢測過程中，樁底反射信號與入射脈沖信號相位關系很大程度上取決于受檢樁的持力層性狀。無論是對于摩擦樁還是嵌巖樁，當樁身波阻抗大于樁端巖面阻抗時，樁底同向反射信號明顯；當樁身波阻抗接近樁端巖面阻抗時，樁底反射信號不明顯；當樁身波阻抗小于樁端巖面阻抗時，特別是受檢樁的樁端嵌入較堅硬的巖層且樁底無沉渣時 ,樁底將會出現明顯的類似擴徑的反向反射信號。因此，正確評價樁身完整性，尤其對缺陷類型進行判定，應充分考慮樁型、地質條件及施工工藝。

4.1 完整樁的樁底反射波特征

圖2為某住宅小區A棟樓20#摩擦樁實測波形曲線。該樁設計樁長16 m，直徑1 m，樁身混凝土強度等級為C30。地質情況為：0～4 m為殘積土層，4～17 m為粘土層。

圖2 完整摩擦樁波形

從圖2實測波形曲線可以看出：2L/c時刻前無同向反射波，樁底反射明顯，混凝土平均彈性波速為3810 m/s，波速正常，樁身完整性好，故樁身完整性為1類。

圖3為某中學綜合樓6#嵌巖灌注樁實測波形曲線。該樁設計樁長22 m，直徑1 m，樁身混凝土強度等級為C35。地質情況為：0～6 m為粘土層，6～19 m為砂土層，19～24 m為強風化花崗巖。

圖3 完整嵌巖樁波形

從圖3實測波形曲線可以看出：應力波沿樁身向下傳播進入到基巖，出現明顯的反向反射峰，這是由基巖反射得到的，并非來源于樁底反射。應力波傳播至基巖，從基巖進入到樁端持力層，曲線尾部逐漸歸零，樁底無明顯的反射信號，表明樁身混凝土強度接近樁端巖面強度，樁端嵌入到較好的基巖；此外，混凝土平均彈性波速為3948 m/s，波速正常，樁身完整性好，故樁身完整性為1類。

4.2 缺陷樁的樁底反射波特征

圖4為某花園小區住宅樓59#摩擦樁實測波形曲線。該樁設計樁長13 m，直徑1.2 m，樁身混凝土強度等級為C30。地質情況為：0～8 m為砂質粘土層，8～14 m為砂土層。

圖4 淺部缺陷樁波形

從圖4實測波形曲線可以看出：2L/c時刻前，樁身約2.5 m處出現與入射波同向的反射波，該同向反射波起跳幅值較小，可判為淺部有輕微缺陷；2L/c時刻樁底有較為明顯同向反射信號，混凝土平均彈性波速為3745 m/s，波速正常，樁身基本完整，故樁身完整性為2類。

圖5為某小學教學樓81#摩擦樁實測波形曲線。該樁設計樁長20 m，直徑1.2 m，樁身混凝土強度等級為C35。地質情況為：0～6 m為砂質粘土層，6～15 m為粘土層，15～21 m為砂土層。

圖5 中部缺陷樁波形

從圖5實測波形曲線可以看出：2L/c時刻前，樁身約9.9 m處出現與入射波同向的反射波，該同向反射波起跳不明顯，且幅值較小，可判為輕微缺陷，2L/c時刻實測曲線尾部歸零，即樁底無明顯反射信號，混凝土平均彈性波速為4064 m/s，波速正常，樁身基本完整，故樁身完整性為2類。

圖6為某中學F棟宿舍樓70#嵌巖樁實測曲線。該樁設計樁長18 m，直徑 1.2 m，樁身混凝土強度等級為C35。地質情況為：0～7 m為砂質粘土層，7～13 m為強風化灰巖，13～20 m為中風化灰巖。

圖6 明顯缺陷樁波形

從圖6實測波形曲線可以看出：2L/c時刻前，樁身約6.8 m處出現與入射波同向的反射波，該同向反射波起跳明顯，且幅值大，可判為明顯缺陷；2L/c時刻樁底先出現與入射脈沖同向的反射信號，緊接著出現反向反射信號，這類樁底反射信號特征說明該嵌巖樁樁底下可能存在沉渣。根據《建筑地基基礎檢測規范》（DBJ15-60-2008）9.4.4條～9.4.5條，該樁樁身完整性為3類。

4.3 沉渣嵌巖樁的樁底反射波特征[10-12]

圖7為某商業樓107#嵌巖樁實測波形曲線。該樁設計樁長19 m，直徑 1.2 m，樁身混凝土強度等級為C30。地質情況為：0～5 m為砂質粘土層，5～16 m為粘土層，16～20 m為強風化砂巖。

圖7 某商業樓107#嵌巖樁實測波形

從圖7實測波形曲線可以看出：樁底先出現與入射脈沖同向的反射信號，隨后出現反向反射信號，說明該嵌巖樁樁底有沉渣，應力波傳播至沉渣界面產生同向反射波，穿透沉渣層進入基巖后，經基巖反射出現反向反射波，分析表明，沉渣厚度較薄時，應力波可貫穿沉渣，并繼續傳播至基巖，然后反射回樁頂 。

圖8為某民用建筑住宅樓3#嵌巖樁實測波形曲線。該樁設計樁長17 m，直徑 1.2 m，樁身混凝土強度等級為C35。地質情況為：0～4 m為殘積層，4～10 m為粘土層，10～15 m為砂土層，15～18 m為中風化灰巖。

圖8 某民用建筑住宅樓3#嵌巖樁實測波形

從圖8實測波形曲線可以看出：樁底只出現與入射脈沖同向的反射信號，說明該嵌巖樁樁底有沉渣，應力波傳播至沉渣界面產生同向反射波，因沉渣厚度較大，應力波無法穿透沉渣層進入基巖進行第二次反射。分析表明，沉渣厚度較大時，應力波到達樁底后被沉渣層阻隔將會無法到達樁底基巖。

5 結論

（1）2L/c時刻前出現同向反射信號，當同向反射波幅值較小時，樁身缺陷為輕微缺陷；當同向反射波幅值較大時，樁身缺陷為明顯缺陷。

（2）當樁身波阻抗大于樁端巖面阻抗時，樁底同向反射信號明顯；當樁身波阻抗接近樁端巖面阻抗時，樁底反射信號不明顯；當樁身波阻抗小于樁端巖面阻抗時,樁底與巖面可以看成是一個整體，樁底將會出現明顯的類似擴徑的反向反射信號。

（3）樁底沉渣厚度較薄時，應力波可穿透沉渣層，并繼續傳播至基巖并反射回樁頂 ；沉渣厚度較大時，應力波到達樁底后被沉渣層阻隔將無法到達樁底基巖。對于嵌巖樁，樁底反射波與入射波相位相同時，樁身完整性判為3類。