軟巖作為持力層的大直徑嵌巖樁低應變曲線實例分析

彭述怡 卿曉鋒

（四川宇暉工程技術有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

低應變法采用瞬態激振的方式，通過實測樁頂加速度或速度響應的時域或頻域特征，分析判定基樁的樁身完整性。根據一維彈性桿件波動理論，要求半徑R＜樁長L，通常要求長徑比L/R≥10，其假設波在橫截面上是同幅值、同相位的。而在實際中，波在樁上部的傳播是三維的［1］。當在樁頭激振時，將產生縱波、橫波及瑞利波［1］，其在樁頭附近產生多次反射，形成干擾。實際工程中存在的“短而粗”的大直徑灌注嵌巖樁，滿足不了一維彈性桿件波動理論，這更增加了彈性波傳播的三維特性［1］。同時，樁直徑越大，樁頭混凝土的不均勻性越明顯，綜合導致基樁低應變信號一致性變差。對于成都以南、以東的廣大地區，擬建場地勘探深度范圍內的地層由為第四系全新統粉質黏土、黏土，下伏白堊系上統夾關組（K2j）泥巖及砂巖構成。樁基礎持力層一般為中分化泥巖、砂質泥巖或泥質砂巖，其天然單軸抗壓強度通常小于15 MPa，屬于軟巖。樁底信號基本上以同向反射為主，推測波速往往比理論值高。對于此類基樁低應變成果利用，應結合工程具體情況加以分析，切忌僅根據一條波形確定［2］，否則易導致誤判或錯判。以下結合典型工程實例，對此類基樁低應變曲線進行分析。

1 工程概況

檢測對象為大直徑灌注嵌巖端承樁，基樁直徑有1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm 四種，樁長6～13 m，混凝土強度等級C30。根據勘察資料，在樁深度范圍內，樁周土為全風化、強風化和中等風化泥巖或泥質砂巖，樁底持力層為中風化泥巖或泥質砂巖，樁嵌巖深度大于3 m。此類樁為典型的大直徑短樁，在工程中較為常見。

2 激振與接收問題

按照規范［3］要求，實心樁傳感器安裝點在樁中心約2/3半徑處，激振點盡量位于樁頭平面中心處，此布置可以最大程度減少高頻干擾。由于大直徑樁不滿足一維彈性桿件要求，彈性波三維屬性明顯。同時，不同的激振器、樁面混凝土不均勻、樁面不平以及樁頭有裂紋等也會對低應變檢測造成嚴重干擾。這就導致當激振點固定時，傳感器在不同位置接收曲線形態差異較大甚至完全不同，即同一基樁曲線一致性差。

圖1 為激振點在樁中心處、兩個傳感器與激振點距離相同但方位不同所測低應變曲線。從圖1可以看出，曲線1（從上往下依次）有明顯的樁底信號，曲線2 則沒有，兩者淺部曲線形態也有較大差異。通過現場分析，主要是由3 個因素造成的。一是樁面處理不完全平整；二是樁徑大，樁頭的混凝土不均性；三是長徑比小，樁淺部彈性波以球面波形式傳播，曲線受到多重干擾導致形態不可控。因此，對此類基樁，建議在不同地點激振和不同方位接收，每根樁選取最符合實際的曲線分析利用，同一個工程盡量選取類似的曲線形態以便參照對比。

圖1 不同接收位置低應變曲線對比（方位不同）

圖2、圖3 為激振點固定、傳感器與激振點距離不同所測得的低應變曲線。可以看出，圖2 曲線1有較明顯的樁底信號，但是淺部特征不明顯；曲線2首波后曲線下陷大，后半段基本為一條直線，異常和樁底信號不明顯。圖3 曲線1 形態干凈，有樁底信號，正常判為一類樁；曲線2 形態雜亂，容易判淺部缺陷。通過現場分析，主要是由兩個因素造成的。一是距離越近（圖2 曲線2），傳感器受到錘擊影響大，掩蓋了中深部及樁底反射信號；二是收發距離越遠，當傳感器與激振點之間的樁頭范圍內存在不均勻、破損、不平整等情況，會導致淺部信號雜亂無章。因此，對于此類基樁，建議更換不同激振點與傳感器位置，收發距離適中，探索采集到合理的、較好的信號分析利用。

圖2 不同接收位置低應變曲線對比（距離不同）

圖3 不同接收位置低應變曲線對比（樁面不均勻）

圖4 為傳感器在同一位置、激振器不同所測得的低應變曲線，曲線1為鐵手錘激振所測，曲線2為力棒激振所測。從圖4 可以看出，力棒曲線首波橫向寬度較大，淺部形態較寬緩，淺部分辨率較低，樁底信號較明顯，顯示出彈性波相對低頻特征；鐵手錘首波橫向窄，淺部形態更細致，淺部分辨率較高，但樁底信號不明顯，顯示出彈性波高頻特征。通過現場分析，主要是由3 個因素造成的。一是力棒激振能量大，同時尼龍頭激振的彈性波頻率段更低，波長更大導致波傳播更深、分辨力弱。而鐵手錘激振能量小，激振彈性波以高頻段為主，波長小，衰減快，淺部分辨率高［4］。因此，對于此類大基樁，建議使用組合錘激振，以力棒為主，鐵手錘為輔，每根樁分別保存兩種激振設備的信號。

圖4 同位置接收的尼龍力棒與鐵手錘低應變曲線對比

3 樁底反射與波速問題

3.1 樁底反射問題

以泥巖或砂質泥巖作為持力層的樁基礎，基樁混凝土等級一般為C30、C35，樁身與持力層具有明顯的阻抗差異。按照波阻抗理論，樁底信號應為同向反射信號；但嵌巖樁進入基巖一定深度且嵌巖效果良好（無沉渣和樁周緊密接觸）的情況下，樁底部與基巖接近融為一體，阻抗反而增大，樁底信號應為反向反射信號或者無明顯信號。實際中本地區絕大多數樁底信號為同向反射信號。這是由于軟巖持力層阻抗明顯低于樁身，即使嵌巖良好，也難以達到兩者阻抗接近或者超過樁身阻抗，同時實際施工也很難控制到嵌巖良好，因而以同向反射為主。實際中僅硬質基巖持力層上嵌巖良好的情況下才能呈現反向樁底信號。

圖5 曲線樁底同向反射信號明顯，作為嵌巖樁，容易與樁底沉渣所引起的樁底信號混淆。眾多工程實例表明，解決這一問題最可靠的措施是結合鉆芯法和聲波法綜合核驗樁底沉渣情況。當鉆芯法和聲波法未發現基樁明顯沉渣情況下，可分析該工程大面積基樁的樁底信號共性特征。當基樁均有明顯樁底同向反射信號，施工記錄和地質水文條件分析沉渣的可能性不大，則基本可以排除沉渣隱患。個別仍有疑慮的基樁還應結合樁長和樁周土性狀分析，在樁長較長、樁周土較硬、波速正常的情況下，樁底同向反射信號如果過于明顯應考慮其他方法進行樁底沉渣驗證［5］。

3.2 波速問題

由圖5可知，根據施工、鉆芯樁長以及曲線形態定樁底后，推測平均波速達到了4 400～4 500 m/s，較大超過了C30混凝土的理論波速3 800～4 200 m/s。通常這在大直徑灌注樁上較為常見，多以速度偏大，樁越短，偏大越多。這是因為樁橫向尺寸引起的時間滯后，即激振點至傳感器有一定距離，在傳感器接收到激振產生的直達波時，激振處縱波已經向樁身下部傳播一定距離，導致接收時間滯后，波速偏大。通常傳感器距激振點越遠，或者樁頭處理不平整等，波在樁面傳播時間越長導致波速偏大。針對這個問題，建議檢測中傳感器與激振點保持適中距離。前期選取數根典型樁試驗得出最佳激振和接收參數［5］，對整個工程樁采取同樣的參數檢測。

圖5 樁底反射信號明顯的低應變曲線

4 結語

通過工程實例分析，低應變法在大直徑嵌巖樁上應用有一定的可靠性，但暴露出來的問題也不少。若要對每一根基樁作出正確的判斷，就要求檢測人員不僅要熟悉樁的成樁工藝和工程地質情況，還要對低應變法本身的適用條件、理論分析和現場檢測注意事項等熟練掌握，必要時還應采取其他方法進行驗證，避免誤判或錯判。