基樁低應變曲線應用分析

楊 海

（廣州市穩建工程檢測有限公司，廣東 廣州 510378）

0 引言

基樁屬于隱蔽工程，樁體若存在缺陷會造成工程完成后使用中存在安全隱患，引發經濟損失和重大安全事故。樁身完整性的判斷是明確缺陷隱患的主要方式。低應變法是樁身完整性判斷的方法之一，主要通過應力波理論進行曲線反射，然后根據曲線變化情況探明樁身質量問題[1]，這在基樁檢測中優勢十分明顯，操作簡單、無損，效果較好，被廣泛應用。本文結合具體工程案例，就基樁低應變曲線分析進行探討。

1 低應變法檢測原理

近幾年地下隱蔽工程較多，其中基樁工程屬于常見的隱蔽工程，施工難度較大、工序較多，地下施工或水下施工過程監測難度大，受復雜地質、水滲流等影響，很容易出現塌孔、縮孔等問題，或混凝土灌注時若出現停頓、拔管過快或導管拔空等情況，很容易導致樁身夾泥、斷樁、縮徑、疏松、不密實等問題。這些缺陷如果得不到及時的修補處理，將直接影響樁身完整性、穩定性，影響建筑項目的使用。而低應變法就能夠有效地發現這些缺陷。

低應變法采用能量瞬態或穩態激振方式于樁頂進行激振，通過能量的激振力形成波動，而波動從樁身一直到樁底進行傳播，通過實測樁頂部加速度時程曲線或速度導納曲線，結合波動理論進行分析，從而完成樁身完整性的判定。在瞬時錘擊力的沖擊下，壓力波以波速C向樁底傳播，若存在樁身混凝土內部缺陷，缺陷面形成波阻抗界面，波到達該界面時會透射與反射，樁頂接收到反射波能量，從而出現變化，以此探明樁身質量。不同情形下反射波特征曲線表現差異較大，可探明樁身缺陷、斷裂、沉渣等情況，在實際的應用中取得了比較理想的應用效果。

2 基樁低應變法檢測的判斷依據

低應變法進行基樁完整性檢測主要運用反射波理論，物理模型為一維彈性桿件，樁深波阻抗大于樁周土，用力錘擊樁，頂樁中產生引力波，引力波在向下傳播過程中遇到波阻抗界面會出現波的反射，人們根據反射波的波形、相位、振幅、頻率及波的到達時間進行樁身完整性的判斷，其對應具體的判斷依據。若樁身完整，任意兩個截面樁身內不會產生引力波，此時樁頂加速度傳感器測量得到的反射波信號為零。樁身存在縮徑問題，引力波由樁頂向下傳播時由大截面傳播到小截面，也就是縮徑處，反射波到達樁頂時檢波器檢測到的引力波與沖錘擊壓縮波方向一致；若樁身存在擴徑問題，彈性波由樁頂向下傳播，先小截面傳播，后大截面，反射波到達樁頂時檢波器會測到引力波與初始錘擊波壓縮波方向相反。樁身存在離析問題，主要對應不規則的波形表現，且波形頻率偏低，第一反射波與初始波一致，后續反射波信號雜亂無章。樁身斷裂或存在夾層情況，反射波波形十分尖銳，能量強，主頻率單一夾高頻成分似正弦波形，到下半副則減弱，若存在大斜形斷裂問題，波形會有明顯畸變表現。

3 采用低應變法進行基樁檢測曲線判斷時的注意事項

3.1 鉆孔灌注樁上部護筒

鉆孔灌注樁成孔施工作業時，會在上部倒入比樁深直徑偏大的護筒，一般規格為1200~1500mm之間，當樁澆灌成型后會對應上大下小的變徑，當使用低應變法進行基樁檢測，曲線在變徑部位會有縮徑反射，甚至出現多次反射的情況，干擾正常信號，影響判讀。圖1顯示了鉆孔灌注樁的上部護筒影響曲線的具體情況。針對這一問題，要先了解樁帽是否存在，避免出現誤判的情況。

圖1 鉆孔灌注樁的的上部護筒影響曲線示意

3.2 人工挖孔樁上部變直徑

正常情形下，人工挖孔樁混凝土護壁厚度在150~200mm之間。若土層較好的情形下，部分施工企業為節約成本，減少材料使用，上部護壁進行規范施工，而下部護壁減少厚度，一般減少30~70mm，此時樁身直徑變小會形成樁頂大、樁身小的樁帽，此時低應變法基樁檢測其曲線，在變徑處會有明顯的類縮徑反射或出現多次反射的情況，也需要特殊關注，了解樁帽是否存在，避免出現誤判情況。

3.3 鉆孔樁入巖變直徑

若在軟土層中鉆孔灌注樁鉆頭晃動，土層存在自然塌方的風險。樁孔直徑會大于鉆頭直徑，當其進入硬質土層或堅硬的巖石層，在其導向作用下，樁孔直徑不變，但樁身從軟土層進入硬土層或巖石后樁身直徑變小，使用低應變法進行基樁檢測及對應的曲線有縮徑反射可能，而樁身從硬質土層進入軟質土層會出現相反的情況，此時樁身直徑變大，曲線則對應擴徑問題。這種情況也要做好地質勘察，了解土層情況，獲取關鍵信息，以避免做出假縮徑、假擴徑的誤判。鉆孔樁入巖變直徑現象影響曲線見圖2。

圖2 鉆孔樁的入巖變直徑現象影響曲線示意

3.4 人工挖孔樁入巖變直徑

在實際的低應變法基樁完整性檢測中，也存在人工挖孔樁入巖變直徑的情形。這是因為人工挖孔混凝土灌注樁，當樁身進入巖石后，便不再使用混凝土護壁。此時樁身直徑會小于土層中的樁身直徑，偏差在200~300mm，低應變法基樁檢測所對應的曲線在該部位會出現類縮徑反射，典型的入巖人工挖孔樁樁底清理相對干凈，樁底反射十分微弱，在曲線判讀時，要避免將類縮徑反射當作來自于樁底的反射信號，從而產生誤判。

3.5 人工挖孔樁樁底混凝土離析

部分基樁施工作業項目地形條件復雜，地下水太大，且沒有采用水下混凝土灌注工藝，使得樁身下部位或整個樁身在水的浸泡作用下會出現混凝土離析的問題。樁身混凝土離析是漸變的過程，需要長期的漸變反應，因此在使用低應變法進行基樁完整性檢測時，所獲取的曲線反應不夠明顯，且無法獲知樁底反射信號，也可能對應樁底反射信號；或者能獲取，但頻率變低、波形變寬，平均波速變小，在這種情況下，應避免盲目根據曲線情況進行樁身質量的判斷，應配合鉆孔取芯檢查，以查明混凝土離析的真實情況。人工挖孔樁樁底混凝土離析現象影響曲線情形見圖3。

圖3 人工挖孔樁的樁底混凝土離析現象影響曲線

3.6 入巖深度偏大的大直徑灌注樁

當前路橋施工中基樁工程較多，而針對路橋工程也存在入巖深度大的大直徑灌注樁的作業情形，若基樁入巖時深度偏大，甚至超過了樁長的80%以上，巖石會對激發能量波有吸收作用，此時使用低應變法進行基樁檢測，可能無法檢測到樁底，只能檢測到大致的入巖位置，因此獲取的曲線只是震蕩波，震蕩波見圖4。這種情況也要特殊對待，結合多種材料進行綜合判斷，熟悉地質條件，明確施工的特殊性，根據低應變法測試曲線探明樁質量問題。

圖4 大直徑灌注樁入巖很深時影響曲線示意

4 低應變法在基樁檢測中的具體應用案例

4.1 樁徑變化產生的低應變曲線同向反射信號

以某跨海大橋為例，對其水中墩8-8號樁進行檢測。樁長34m，樁徑1000mm，所獲取的低應變檢測曲線如圖5。從低應變曲線情況來看，6m處有比較明顯的缺陷，反射信號存在，于樁中心兩側部位靠近鋼筋籠處鉆芯，兩孔分別取芯8m。從取芯情況看，芯樣連續、完整且堅硬，對應的骨料分布也比較均勻，側壁處于光滑狀態，沒有發現明顯缺陷。由此可認為是因為樁徑變化產生的低應變曲線引發的誤判問題。8號墩處于水中，共計8根，樁頂高程為-5.69m，護筒底高程為-11.98m，深度在6m左右，且有不同程度的同向反射信號，尤以8號樁最為嚴重，但通過取芯驗證卻沒有發現明顯的缺陷，整個灌注作業過程中也沒有明顯的失誤，綜合判斷得出結論，護筒直徑超出樁直徑0.3m，護筒底部以下樁身有明顯假縮徑問題，造成低應變檢測曲線判斷結果不準，建議水中墩灌注樁護筒應延伸至樁頂以下數米，且確保護筒直徑大于樁身直徑。由此可知，在進行低應變法基樁檢測時，應先排除護筒擴徑的因素。

圖5 8-8號樁低應變曲線

4.2 基樁施工工藝不當引發的樁身質量缺陷

施工工藝不當會導致樁身質量缺陷。通過低應變法基樁檢測曲線查明樁深質量，以某工程為例，0~8號樁樁長43m，樁徑1000mm，使用低應變法進行基樁檢測獲得曲線如圖6。在26m處有類似樁底反射信號，但根據灌裝記錄看，確實灌注了43m，為驗證26m處的樁身質量，鉆芯進行驗證，取芯結果表明，0~25.9m處芯樣處于完整狀態，而25.9~26.6m芯樣一小部分為黃色黏性土，26.6m以下又對應完整芯樣，認為26m左右有縮徑問題。

圖6 0-8號樁低應變曲線

4.3 施工失誤引發的基樁質量缺陷問題

某工程0~10號樁，樁長50m，樁徑1500mm，采用低應變法基樁檢測獲取檢測波曲線。從曲線情況看，全部存在缺陷，開挖驗證發現垂直樁身豎向有裂紋。裂紋嚴重程度較高，但考慮到一維理論檢測樁身縱向裂紋依據不充分，遂采用擴徑樁理論進行解釋，再使用低應變法進行基樁檢測，但沒有明顯裂紋，低應變法檢測曲線則探明淺部缺陷，施工單位在樁頭剔除過程中發現樁頭有豎向裂紋，未探明裂紋深度，挖開樁周土發現兩側均有裂紋，且下延進1m。調查發現，相鄰樁近6m長的樁頭倒向該樁并砸中[2]，屬施工失誤引發基樁質量缺陷問題。

5 基樁的低應變法檢測曲線判斷注意事項

單純依靠曲線變化情況進行樁身完整性的判斷并不全面。結合幾個典型案例，認為混凝土灌注樁低應變法檢測應注意以下幾點：

（1）要明確基樁位置的地質情況、水文情況。特別是樁身存在穿過軟土層、砂土層時，若工藝運用不當很容易出現孔壁坍塌問題，出現縮徑現象。因此，當判明樁身有缺陷時要調整施工工藝。

（2）要明確基樁的施工方法，這是使用低應變法進行基樁檢測的基本要求。當前的灌注中有沉管灌注、鉆孔灌注、人工挖孔灌注等不同類型，且又對應反循環鉆孔、正循環鉆孔等成孔法，需要施工單位根據具體情況合理選擇施工方法，并做好特殊保護。在使用低應變法進行基樁檢測時要預估到這些情況，對護筒過長、直徑過大等問題有所考慮。

（3）要關注低應變反射波法受到的干擾因素，諸如樁身截面突變、斷樁、空洞、離析、沉渣、應變/激振方式選用、樁頭的處理情況等都會對判別結果造成影響，對于大直徑樁、長徑比很小的樁，應注意其尺寸效應，不能完全用一維理論來解釋，可采用增加檢測點、與其它檢測方法相互校核的方式進行。這也要求檢測人員在檢測過程中要細心、全面、謹慎，避免出現人為誤判的情況，只有多方面綜合分析，必要時配合鉆孔取芯或開挖驗證才能真正保證樁身質量過關。

6 結束語

本文根據低應變反射波法測樁工作原理，在參考相關文獻、分析具體檢測案例的基礎上，對低應變檢測曲線中波形判讀的幾個“假缺陷”現象進行了論述，并對產生這些波形的原因進行了系統的分析，希望對檢測人員有一定的指導與參考，真正引起現場測試及分析人員的重視，提高檢測工作質量，確保檢測評定結果的高可信度，也為基樁施工作業提供檢測理論支持。