低應(yīng)變同條件下樁型實(shí)測波速差異大研究探討

仇道剛，陳啟超，劉國躍

（南京銘創(chuàng)測控科技有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

低應(yīng)變波速除了與樁身混凝土強(qiáng)度有關(guān)外，還與混凝土的骨料品種、粒徑級配、密度、水灰比、成樁工藝（導(dǎo)管、振搗、離心）等因素有關(guān)。波速與樁身混凝土強(qiáng)度整體趨勢呈正相關(guān)關(guān)系，即強(qiáng)度越高，波速越高［1］。當(dāng)以上條件都相同時(shí)，我們簡稱為同條件的下的樁型，同條件的下的樁型低應(yīng)變波速是在一定范圍內(nèi)變化的，偏差并不大。國內(nèi)普遍采用混凝土強(qiáng)度等級估算低應(yīng)變波速，也是基于這個(gè)原因。金隆等［2］的研究結(jié)果如表1 所示，試驗(yàn)過程:選取同條件的 6 根沖擊成孔灌注樁作為試驗(yàn)對象，樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度 C30，分別沿樁身鉆取φ100 mm 的芯樣，在距樁頂 3 m、10 m 以及 18 m 附近分別截取 3 根 1 m 長芯樣，分別標(biāo)記n－1 #、n－2 # 和n－3 # 芯樣（n為樁號），芯樣加工好后，對芯樣進(jìn)行低應(yīng)變波速測試，然后再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從表1 中可以看出，同條件下的樁型低應(yīng)變波速相差并不大。然而在實(shí)際工程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)同條件下的樁型，低應(yīng)變實(shí)測波速差異過大的情況，為了搞清楚背后的真實(shí)原因，下面對一個(gè)真實(shí)的案例進(jìn)行分析。

表1 同條件下樁型低應(yīng)變波速統(tǒng)計(jì)

1 案例概述

在某房建工程中，發(fā)現(xiàn)在同一批樁中，有兩根樁的實(shí)測波速差異過大。具體情況:樁號 4-5，樁徑 600 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度 C30，設(shè)計(jì)樁長 6.65 m，樁型為嵌巖樁，持力層為中風(fēng)化凝灰?guī)r。低應(yīng)變測試波形如圖1 所示，在 2.79 ms 處有明顯同向反射，假如此同向反射是樁底，波速按照 3 800 m/s 計(jì)算，則樁長只有 5.3 m，而且同向反射與持力層的性狀不符［3］，遂判定短樁或嚴(yán)重沉渣。為了驗(yàn)證低應(yīng)變的判斷，進(jìn)行了取芯，芯樣照片如圖2 所示，取芯結(jié)果:芯樣長度 6 m，下面有近 1 m 厚的碎石沉渣，同向反射即為沉渣界面的反射，按照實(shí)際樁長 6 m 計(jì)算，則實(shí)測波速如式（1）所示。

圖1 樁 4-5 實(shí)測低應(yīng)變波形

圖2 樁 4-5 芯樣照片

式中:c為低應(yīng)變實(shí)測波速，m/s；L為樁長，m；Δt為樁底反射時(shí)間，ms。

樁號4-6，樁徑 600 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度 C30，設(shè)計(jì)樁長6.5 m，樁型為嵌巖樁，持力層中風(fēng)化凝灰?guī)r；低應(yīng)變波形如圖3 所示，顯示在 2.68 ms 處有明顯反向反射，此反射應(yīng)該為入巖反射；在 3.72 ms 處有明顯同向反射，由于持力層為中風(fēng)化凝灰?guī)r，不應(yīng)該有明顯同向反射，遂判定為沉渣。為了驗(yàn)證低應(yīng)變的判斷，進(jìn)行了取芯，芯樣照片如圖4 所示。取芯結(jié)果:芯樣長度 7.2 m，有 20 cm 左右碎石沉渣，3.72 ms 處同向反射就是沉渣界面的反射。按照實(shí)測樁長計(jì)算，則實(shí)測波速代入式（1）計(jì)算。

圖3 樁 4-6 實(shí)測低應(yīng)變波形

圖4 樁 4-6 芯樣照片

以上兩根樁為同一個(gè)工地、同條件下的樁型。混凝土標(biāo)號、骨料、配合比等完全一致。為了排除送錯(cuò)混凝土這種情況，筆者又對芯樣進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度差異不大。從芯樣外觀以及抗壓強(qiáng)度看，可以確定是同條件下的樁型，然而實(shí)測波速卻相差較大，因此，數(shù)據(jù)的真實(shí)性被質(zhì)疑，更重要的是，這不符合在同條件下樁型，低應(yīng)變波速在一定范圍內(nèi)分部規(guī)律。

那么波速的差異究竟是什么原因?qū)е拢坪鹾茈y找到一個(gè)確切的答案。論文將采用橫向尺寸效應(yīng)來分析解釋該問題。

2 橫向尺寸效應(yīng)

低應(yīng)變一維桿的基本假設(shè)是L＞λ＞R（L樁長、λ激振波長有效高頻分量、R樁半徑），這時(shí)平截面的假設(shè)才成立。當(dāng)在某些條件下，出現(xiàn)λ≤R時(shí)，出現(xiàn)的一些不符合反射波法傳播基本規(guī)律的現(xiàn)象，稱之為橫向尺寸效應(yīng)。橫向尺寸效應(yīng)會(huì)給檢測帶來兩個(gè)不利因素:①通過峰峰反射計(jì)算的實(shí)測波速不準(zhǔn)；②大直徑樁用高頻激振時(shí)易產(chǎn)生高頻振蕩。這里我們只介紹第一個(gè)因素。

由于傳感器的安裝點(diǎn)與錘擊點(diǎn)總是有一定的距離，如圖5 所示，這將導(dǎo)致傳感器的信號接收總是滯后于錘擊時(shí)刻，錘擊以后即產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波沿表面?zhèn)鞑ブ羵鞲衅鳎瑃0為應(yīng)力波從錘擊點(diǎn)傳播到傳感器所用的時(shí)間。由于t0的存在，進(jìn)而導(dǎo)致測試的樁底反射時(shí)間Δt變小。如圖6 所示，時(shí)刻 1 為錘擊時(shí)刻，時(shí)刻 2 為傳感器初次接收應(yīng)力波時(shí)刻，時(shí)刻 3 為應(yīng)力波從樁底反射至樁頂時(shí)刻，應(yīng)力波從樁頭傳播到樁底再反射到樁頭所用時(shí)間為Δt，但是由于t0的存在，實(shí)際測試的反射時(shí)間為 Δt′，顯然，Δt′＜Δt。

圖5 錘擊后應(yīng)力波的傳播

圖6 實(shí)測樁底反射時(shí)間變小示意圖

由式（1）可以得知，Δt變小，則實(shí)測波速c變大。由于t0是表面波，波速大概只有縱波的二分之一，也就是傳播同樣的距離，時(shí)間是縱波的二倍，對于長樁測試時(shí)，Δt的變化可以忽略不計(jì)，但是在一些大直徑短樁的測試中，t0是不能忽視的，因?yàn)檫@時(shí) Δt本身就比較小，只有幾毫秒，因此t0的影響就會(huì)更明顯。

由以上分析，可以得出結(jié)論，假如傳感器安裝點(diǎn)和激振點(diǎn)的距離不同，會(huì)影響實(shí)測波速的大小，理論上，由于橫向尺寸效應(yīng)的影響，低應(yīng)變實(shí)際測試的波速都比真實(shí)的波速偏高。對于大直徑的短樁，這種影響更加明顯，不能忽略。在實(shí)際檢測時(shí)，樁頭的打磨點(diǎn)有一定的隨機(jī)性，這就導(dǎo)致傳感器安裝點(diǎn)與激振點(diǎn)的距離是隨機(jī)的，這個(gè)距離變化同樣會(huì)影響實(shí)測波速。但是，到底影響有多大？胡新發(fā)［4］的研究表明，當(dāng)敲擊一次，兩個(gè)傳感器同時(shí)采集時(shí)，傳感器布置情況如圖7 所示，傳感器 1 與傳感器 2 的距離之差為 28 cm 時(shí)，傳感器接收的信號時(shí)差為 0.15 ms。此時(shí)，表面波波速為 1 866 m/s。也就是說，表面波在錘擊點(diǎn)與傳感器安裝點(diǎn)之間傳播 28 cm 的距離時(shí)，要耗時(shí) 0.15 ms。那么，上述案例是否可以用橫向尺寸效應(yīng)解釋？

圖7 兩個(gè)傳感器距離差 28 cm 時(shí)的采集現(xiàn)場

3 橫向尺寸效應(yīng)解釋

假設(shè)在上述案例中，樁 4-5 在測試時(shí)，傳感器的安裝點(diǎn)與錘擊點(diǎn)的距離與樁 4-6 不同，且樁 4-5 傳感器安裝點(diǎn)與錘擊點(diǎn)的距離比樁 4-6 的要大 28 cm 以上。則根據(jù)胡新發(fā)的研究，樁 4-5 的接收信號滯后 4-6 的時(shí)間是 0.15 ms 以上。因?yàn)闄M向尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)測波速偏高，所以應(yīng)該對偏高的波速進(jìn)行修正，將變小的 Δt增加0.15 ms，則 4-5 修正后的波速代入式（1）。

也就是說，上述假設(shè)成立的話，換算成相同的測試條件，4-5 的實(shí)測波速應(yīng)該小于 4 081 m/s（距離差等于 28 cm 時(shí)，波速是 4 081 m/s），而 4-6 的實(shí)測波速是 3 870 m/s，顯然這個(gè)波速差異符合同條件下樁型的波速認(rèn)知。由于 4-5、4-6 當(dāng)時(shí)檢測時(shí)傳感器的安裝點(diǎn)與錘擊點(diǎn)距離的實(shí)際情況已經(jīng)無法考證，所以認(rèn)定該波速差異是橫向尺寸效應(yīng)引起的，證據(jù)不充分。但是反過來，如果在實(shí)際測試時(shí)，不同的樁敲擊點(diǎn)與傳感器的安裝點(diǎn)之間的距離不同，則一定會(huì)導(dǎo)致實(shí)測波速出現(xiàn)差異，這個(gè)結(jié)論是正確的。

4 結(jié)語

低應(yīng)變在實(shí)際工程測試時(shí)，確實(shí)有同條件下的樁型實(shí)測波速差異大這一現(xiàn)象存在，在沒有搞清楚原因的情況下，不能簡單的以此作為質(zhì)疑數(shù)據(jù)真實(shí)性的理由。這樣做，只會(huì)表現(xiàn)出對低應(yīng)變認(rèn)知的不全面。也許，在低應(yīng)變檢測中，還會(huì)出現(xiàn)一些無法解釋的現(xiàn)象，但是我們相信這些可能都是暫時(shí)的，因?yàn)榧夹g(shù)的發(fā)展從來就是先發(fā)現(xiàn)問題，再解決問題，只是這個(gè)過程需要些時(shí)間，在沒有搞清楚問題之前，不能簡單地下結(jié)論。

橫向尺寸效應(yīng)的存在會(huì)給低應(yīng)變的測試帶來一定的影響，會(huì)導(dǎo)致實(shí)測的Δt變小，從而引起實(shí)測波速偏高。這會(huì)給實(shí)際工程檢測帶來兩個(gè)方面的不利影響:①當(dāng)不同的樁之間傳感器與錘擊點(diǎn)距離不同時(shí)，會(huì)帶來實(shí)測波速差異大的情況，短樁尤為明顯；②由于實(shí)測波速偏高，會(huì)影響缺陷樁缺陷深度的計(jì)算。因此，研究橫向尺寸效應(yīng)，能進(jìn)一步了解低應(yīng)變在某些方面存在的不足之處，從而消除這些不利因素對檢測結(jié)果的誤導(dǎo)與判斷，讓低應(yīng)變這門技術(shù)更好地服務(wù)于工程檢測。