胡在良，李晉平，董承全，熊昌盛，孟軍濤

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

嵌巖樁以其樁端嵌入巖層而得名，在我國已被廣泛應(yīng)用于鐵路、建筑、市政、公路、港口碼頭等工程領(lǐng)域[1]。由于嵌巖樁承載力較高、土阻力高、長徑比小，且受施工工藝、地質(zhì)界面等因素的影響，采用低應(yīng)變法檢測時，應(yīng)力波受到的干擾信號復(fù)雜，如何科學(xué)、準確地進行嵌巖樁完整性評價，仍是低應(yīng)變法檢測的難點。

在鐵路工程中，樁徑≥2 m或樁長＞40 m或復(fù)雜地質(zhì)條件下的基樁，需要埋設(shè)聲測管進行聲波透射法檢測，當樁長＞40 m且樁徑＞2 m時，通常采用低應(yīng)變法檢測[2]。本文從低應(yīng)變法檢測原理、嵌巖樁低應(yīng)變波形特點等方面分析，并結(jié)合典型工程實例對檢測常見問題進行了分析探討。

1 低應(yīng)變法檢測原理簡介

低應(yīng)變法檢測的基本原理是在樁頂施加激振力產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波沿樁身傳播過程中，遇到蜂窩、夾泥、離析、斷樁等缺陷及擴縮徑和樁底時，由于波阻抗發(fā)生變化，將產(chǎn)生反射波。通過分析反射波的時程、相位、幅值和波形特征，判定樁的完整性。

1.1 波動方程

將樁視為一維彈性直桿，由一勻質(zhì)材料構(gòu)成，各物理力學(xué)參數(shù)如彈性模量E、質(zhì)量密度ρ為常數(shù)，且橫截面A在受力時保持平面，忽略樁內(nèi)外的阻尼和表面摩擦力的影響，樁周和樁端的約束力和支承作用，由樁端一個彈簧來代替樁的力學(xué)模型。當桿的頂部受到一激振力f(t)后，桿內(nèi)產(chǎn)生縱向應(yīng)力波，由桿的頂端向桿的底部傳播。一維波動方程為[3-5]

式中，ρ為質(zhì)量密度;E為桿的彈性模量;u為x方向質(zhì)點位移。令式(1)變換為

式(2)一維波動方程的達郎貝爾解為

式(3)中，f，g分別為(x－ct)，(x+ct)的任意函數(shù)。f(x－ct)為下行波，沿 x軸向下正向傳播，g(x+ct)為上行波，沿x軸向上負向傳播，應(yīng)力波傳播速度為c。

1.2 缺陷類型與位置判定

當彈性直桿的波阻抗Z=ρcA發(fā)生變化時，應(yīng)力波在桿中的傳播將會產(chǎn)生反射、透射和折射。假設(shè)樁中某處阻抗發(fā)生變化，當速度入射波 vi從介質(zhì)1(阻抗Z1)進入介質(zhì)2(阻抗 Z2)時，將產(chǎn)生速度反射波 vr和速度透射波vt，由界面處力平衡及速度連續(xù)條件得[5]

Z1＞Z2時，速度反射波 vr和速度入射波 vi同號(同相位)。當樁下部發(fā)生了斷樁、離析或縮頸等缺陷時，反射波與入射波同相位。

Z2＞Z1時，速度反射波 vr和速度入射波 vi異號(反相位)。當應(yīng)力波由軟材料向硬材料方向傳播時，或者應(yīng)力波由截面積小的向截面積大的方向傳播，樁出現(xiàn)了擴徑或樁底嵌固的情況時，反射波和入射波反相位。

低應(yīng)變反射波法是根據(jù)反射波與入射波的相位以及應(yīng)力波傳播時間進行完整性判定。其中缺陷的程度根據(jù)缺陷反射波的幅值定性確定，缺陷位置根據(jù)反射波的時間tx由式(6)確定。缺陷樁典型時域曲線如圖1。

式中，Lx為缺陷深度。

圖1 缺陷樁典型時域曲線[6]

圖1 中，橫坐標為時間，單位為ms，縱坐標為振動幅值，單位為mm/s。L為樁長，c為應(yīng)力波波速。

2 嵌巖灌注樁低應(yīng)變法檢測常見問題

2.1 嵌巖樁承載性狀分析

人們的傳統(tǒng)觀念和國內(nèi)外的許多教科書都曾把嵌巖樁視為端承樁(柱樁)。資料分析表明[1]，嵌巖樁即使是在無覆蓋層條件下，或?qū)儆陂L徑比＜5的短樁，也并非一律都是端承樁，而較長的嵌巖樁大多屬于摩擦樁，很長的嵌巖樁則完全屬于摩擦樁。

文獻[7]收集了不同地質(zhì)條件下灌注型嵌巖樁的荷載試驗資料，分析表明[1]，所有樁的側(cè)阻力分擔荷載比都超過了60%，其中大部分在80%以上，端阻分擔的荷載只占總承載力的一小部分，屬于摩擦樁或端承摩擦樁。嵌巖樁的端阻力分擔樁頂極限荷載之比(Qsu/Qu)隨嵌巖深度與樁直徑之比(hr/d)增大而急劇減少，嵌巖愈深，端阻的貢獻愈小，當樁身的彈性模量與巖石彈性模量之比甚小(hr/d＞3)時，端阻的貢獻可接近于零。

因此，對于嵌巖樁的質(zhì)量控制，并非一律按端承樁對待，應(yīng)結(jié)合設(shè)計資料、檢測與驗收標準進行基樁施工質(zhì)量評價。

2.2 嵌巖樁低應(yīng)變法檢測波形特點

1)樁底反射不明顯

通常認為，當樁底巖層波阻抗大于樁身波阻抗，樁底信號呈反向特征，當樁底巖層波阻抗接近樁身波阻抗，樁底反射不明顯，當樁底存在沉渣、嵌巖效果不好或未入巖，樁底呈同向反射。

對于嵌巖樁，由于應(yīng)力波傳遞、地質(zhì)界面反射、樁身缺陷及截面變化等因素，導(dǎo)致傳到樁端的應(yīng)力波能量較少，很難測到樁底反射信號。通常嵌巖樁樁端巖層較好，波形具有明顯入巖反射信號，樁底反射也不明顯。

2)小長徑比樁波形振蕩信號明顯

通常情況下，采用低應(yīng)變法測試較短的大直徑灌注樁時，常出現(xiàn)波形振蕩信號。當檢測經(jīng)驗不足時，容易與缺陷信號混淆，造成誤判。

資料分析表明[3，6]:低應(yīng)變法的理論基礎(chǔ)以一維線彈性桿件模型為依據(jù)，受檢樁的長徑比、瞬態(tài)激勵脈沖有效高頻分量的波長與樁橫向尺寸之比均宜 ＞5。當激勵脈沖頻譜中的有效高頻諧波分量波長λ0與被檢基樁的直徑D之比較小時(λ0/D＜5)，一維縱波桿件傳播的問題轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波沿具有一定橫向尺寸柱體傳播的三維問題;當激勵脈沖的波長與樁長相比較大時，樁身的運動更接近剛體，波動性狀不明顯，對準確探測樁身缺陷、特別是淺部缺陷深度產(chǎn)生不利影響。有關(guān)資料表明，在以手錘敲擊的大直徑樁低應(yīng)變測試中，常出現(xiàn)一種與測量系統(tǒng)頻率特性無關(guān)的高頻干擾，樁徑愈大而脈沖窄時尤其嚴重。

長徑比小的大直徑樁低應(yīng)變干擾信號通常比較明顯。應(yīng)采用合適的頻率測試，分析時要考慮三維效應(yīng)及高頻信號干擾，并結(jié)合設(shè)計、施工資料綜合分析。

3)樁徑及樁周土層變化時信號復(fù)雜難識別

當樁身存在明顯同向反射時，通?？紤]是否由缺陷引起。但大量檢測經(jīng)驗表明，當樁頂為擴大頭而樁身漸擴后回縮到設(shè)計樁徑時，以及樁周土層復(fù)雜時，會出現(xiàn)明顯同向反射，部分伴有周期性振蕩特征，與缺陷反射特征相似，容易造成誤判，給樁身完整性評定帶來一定的困難。

資料表明[6]，當樁身截面(阻抗)漸變或突變，在阻抗突變處的一次或二次反射常表現(xiàn)為類似明顯擴徑、嚴重缺陷或斷樁的相反情形，從而造成誤判。

4)低應(yīng)變檢測的局限性

低應(yīng)變法操作簡便、檢測速度快，在工程基樁檢測中得到廣泛應(yīng)用。但是，目前仍無法做到定量分析，無法準確區(qū)分縮頸、離析、夾泥等缺陷，對缺陷的大小與范圍僅能作定性評價，經(jīng)驗性較強，分析誤差大。

3 實例分析

3.1 實例 1

某山區(qū)鐵路涵洞1－3#基樁，設(shè)計樁長11 m，設(shè)計樁徑1.0 m，混凝土強度等級C20，挖孔灌注樁，設(shè)計為端承樁，設(shè)計最小嵌巖深度3.0 m，該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶、裂隙發(fā)育。低應(yīng)變法檢測結(jié)果表明，該樁樁底同向信號強烈，其樁底信號幅值為首波脈沖幅值的25%，實測波速3 613 m/s，實測低應(yīng)變時域曲線如圖2所示。

圖2 某涵洞1－3#樁實測時域曲線

針對該測試波形，初步判定樁底沉渣過厚或持力層軟弱，并立即組織開展鉆芯法驗證。為驗證樁端質(zhì)量，鉆芯孔深度達16.1 m，鉆芯結(jié)果表明:該樁實際施工樁長10.85 m，在 0～10.85 m段芯樣良好、骨料均勻，10.85 m之下為軟塑、棕黃色黏土夾少量碎石，樁端持力層巖土性狀達不到設(shè)計要求，見圖3。為綜合分析該樁施工質(zhì)量，對鉆芯芯樣進行了抗壓強度試驗，混凝土芯樣試件抗壓強度代表值為20.5 MPa，強度符合設(shè)計要求?？紤]到樁端未進入設(shè)計要求的持力層，影響承載力的發(fā)揮，綜合評定該樁為Ⅳ類樁。

圖3 某涵洞1－3#樁鉆芯芯樣

對于嵌巖樁，無論是承載力以摩擦為主還是端承為主，其樁端巖土層較為堅硬、強度較高，則樁端巖土波阻抗高于或接近樁身波阻抗，樁端呈現(xiàn)反向反射或樁底不明顯。當采用低應(yīng)變法檢測嵌巖樁質(zhì)量時，如果其樁底反射信號呈明顯同向特征，應(yīng)懷疑其樁端混凝土質(zhì)量或持力層巖土性狀是否滿足設(shè)計要求。

3.2 實例2

某山區(qū)鐵路特大橋16－4#基樁，設(shè)計樁長6 m，設(shè)計樁徑1.5 m，混凝土強度等級C25，挖孔灌注樁，采用聲波透射法與低應(yīng)變反射波法對比檢測，低應(yīng)變時域曲線見圖4。

圖4時域曲線中，存在振蕩信號，且無明顯樁底反射，經(jīng)聲波透射法檢測，該樁樁身混凝土質(zhì)量良好，無缺陷，為Ⅰ類樁，可見低應(yīng)變時域信號的振蕩特征并非由樁身缺陷引起。結(jié)合設(shè)計資料分析表明，該樁長徑比等于4，低應(yīng)變信號的三維效應(yīng)明顯，且高頻干擾信號明顯，存在波形振蕩信號。

圖4 某特大橋16－4#樁實測時域曲線

當淺部巖土層為巖層時，橋梁基樁通常采用長徑比小的短樁，樁長小、樁徑大，采用低應(yīng)變法檢測時高頻干擾信號較強，波形復(fù)雜，檢測時宜采用合理的測試頻率，減少干擾信號的影響，并結(jié)合施工與地質(zhì)資料綜合分析，防止誤判。

3.3 實例 3

某沿海鐵路特大橋467－5#樁，設(shè)計樁長37.5 m，設(shè)計樁徑1.5 m，混凝土強度等級C30，鉆孔灌注樁，地質(zhì)資料從上至下依次為:流塑狀淤泥質(zhì)黏土、硬塑狀粉質(zhì)黏土、軟塑狀粉質(zhì)黏土、軟塑狀淤泥質(zhì)黏土、軟塑狀黏土、弱風化含礫凝灰?guī)r(基本承載力600 kPa)，設(shè)計最小嵌巖深度3.1 m，采用低應(yīng)變法檢測，實測低應(yīng)變時域曲線見圖5。

圖5 某特大橋467－5#樁實測時域曲線

圖5 (a)為初次檢測(缺陷處理前)低應(yīng)變波形曲線，樁底信號微弱，實測波速3 968 m/s，5.2 m處存在明顯同向反射，初步判定該樁在5.2 m處存在缺陷。經(jīng)核查該樁灌注記錄，在該處混凝土灌注方量小于設(shè)計方量。根據(jù)低應(yīng)變法檢測結(jié)果進行鉆芯法驗證，在靠鋼筋籠附近進行鉆孔，其中一個孔在5.2～5.8 m段芯樣破碎，其余兩個孔芯樣良好，因此該樁局部存在缺陷。針對該樁的缺陷位置、程度，施工單位進行了缺陷處理，達到測試齡期要求后進行了低應(yīng)變法復(fù)檢，波形見圖5(b)。

與圖5(a)時域曲線相比，經(jīng)過缺陷處理后，圖5(b)中467－5#樁5.2 m處同向反射信號消失，并且樁底反射比處理前明顯，具備典型完整嵌巖樁波形特征。同時，隨著齡期增長及缺陷的消除，低應(yīng)變法檢測波速略有增長，實測波速為4 000 m/s。

3.4 實例4

某沿海鐵路特大橋472－5#樁，設(shè)計樁長34.5 m，設(shè)計樁徑1.25 m，混凝土強度等級 C35，鉆孔灌注樁。地質(zhì)資料表明，在0～25.6 m段為泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土，無明顯地質(zhì)界面變化，在25.6～27.1 m段為強風化凝灰?guī)r，在27.1～34.5 m段為弱風化凝灰?guī)r，實測低應(yīng)變時域曲線見圖6。

圖6 某特大橋472－5#樁實測時域曲線

圖6 中時域曲線具有以下特點:2L/c時刻前，在t=5.1 ms處存在明顯同向信號，t=12.7 ms處呈反向特征。該樁采用聲波透射法與低應(yīng)變法對比檢測，聲波透射法檢測結(jié)果表明，樁身質(zhì)量良好，為Ⅰ類樁，經(jīng)核查施工、地質(zhì)資料及灌注記錄，該樁采用沖擊鉆施工，樁頂以下0～25.6 m段為軟弱土層，在9～10 m段混凝土超方。取該場地低應(yīng)變平均波速4 000 m/s進行分析，在低應(yīng)變時域曲線t=5.1 ms(10.2 m)處，應(yīng)為擴徑縮回正常樁徑時引起的反射信號，在t=12.7 ms(25.4 m)處，為粉質(zhì)黏土與強風化凝灰?guī)r地質(zhì)界面，波阻抗增大，波形呈反向特征。可見，472－5#樁由于擴徑及地質(zhì)界面均引起波形反射，且樁底信號不明顯。

對于上部土層存在深厚軟土覆蓋層的嵌巖樁，淺部多為淤泥質(zhì)黏土及黏土類地層，基本承載力低，采用沖(鉆)鉆孔法施工時，樁身易產(chǎn)生擴縮徑。此類地質(zhì)條件下的嵌巖樁用低應(yīng)變法檢測時，在淺部易出現(xiàn)擴徑及地質(zhì)界面的反射特征，當混凝土質(zhì)量良好時，仍出現(xiàn)波阻抗變化，產(chǎn)生同相信號，不利于樁身完整性判定。因此，宜結(jié)合工程地質(zhì)資料及灌注記錄，及多根樁波形特征進行綜合評判。

4 結(jié)語

本文列出了低應(yīng)變法檢測嵌巖樁的常見問題，針對影響波形判定的有關(guān)因素進行分析，并結(jié)合近年來，在鐵路橋梁嵌巖樁低應(yīng)變法檢測的典型波形進行分析與探討。

1)嵌巖樁樁端巖層較硬，通常情況下樁底反射不明顯或呈輕微反向特征，如果同一工地基樁樁底反射普遍不明顯，或呈輕微的同向反射，而個別樁卻有明顯同向反射時，應(yīng)懷疑其樁底有缺陷或持力層不滿足設(shè)計要求，應(yīng)進行必要的鉆芯驗證。

2)長徑比小的嵌巖樁采用低應(yīng)變法檢測時，三維效應(yīng)及高頻干擾明顯，宜采用不同頻率的設(shè)備進行激振，并結(jié)合施工及地質(zhì)資料綜合評判。

3)樁徑與土層變化容易引起波形反射特征，嵌巖樁低應(yīng)變法完整性檢測時，應(yīng)充分結(jié)合工程施工和地質(zhì)資料進行分析，必要時應(yīng)采取相應(yīng)措施進行驗證，提高檢測精度。

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