趙 磊

(山西長(zhǎng)治公路勘察設(shè)計(jì)院，山西長(zhǎng)治 046011)

0 引言

我國(guó)土木工程中樁基礎(chǔ)應(yīng)用十分廣泛，樁基礎(chǔ)的質(zhì)量關(guān)乎整體工程質(zhì)量。對(duì)混凝土灌注樁的質(zhì)量檢測(cè)，主要檢測(cè)樁身完整性與樁身承載力。隨著我國(guó)大跨橋梁的大量修建，橋梁樁基礎(chǔ)混凝土灌注樁樁身完整性檢測(cè)意義變得日益突出，本文即是討論應(yīng)用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行橋梁樁基檢測(cè)。

低應(yīng)變反射波法一般是通過樁頂激振，測(cè)量樁速度時(shí)程曲線，應(yīng)用一維波動(dòng)理論進(jìn)行時(shí)頻域分析來考察樁身質(zhì)量。該方法不需要預(yù)先埋設(shè)聲測(cè)管，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的工作量小，數(shù)據(jù)處理快速，檢測(cè)成本低，效率高。李向翠介紹了一種快速、有效的反射波法，從檢測(cè)原理到結(jié)合工程實(shí)例，闡述了在樁身檢測(cè)中的應(yīng)用［1］;陳凡計(jì)算了不同點(diǎn)激勵(lì)速度風(fēng)致時(shí)間差的關(guān)系式，并從振型的角度解釋了管樁頂面不同檢測(cè)點(diǎn)處高頻干擾隨加載脈沖變寬時(shí)的衰減現(xiàn)象［2］;周佳光闡述了低應(yīng)變動(dòng)測(cè)對(duì)缺陷探測(cè)時(shí)存在相互依賴以及在檢測(cè)中應(yīng)注意的方面［3］;吳慶曾闡述了一維桿件中反射波理論依據(jù)，說明了樁產(chǎn)生缺陷的多重因素及完整性檢測(cè)的必要性［4］;程建國(guó)論證了不同樁基可能出現(xiàn)的缺陷特征是不同的［5］;朱俊針對(duì)不同工程實(shí)例，分別將聲波透射法、低應(yīng)變法與鉆心法進(jìn)行了綜合對(duì)比，分析了三種方法的各自優(yōu)缺點(diǎn)［6］;柯宅邦建立了更符合工程實(shí)際的樁土系統(tǒng)瞬態(tài)振動(dòng)計(jì)算模型，利用有限差分法計(jì)算了完整樁在瞬態(tài)軸向力作用下的動(dòng)力響應(yīng)，比較了三維和一維樁頂軸向速度響應(yīng)的差別，分析表明相對(duì)激振半徑、樁周土剪切波速是影響三維效應(yīng)的重要因素［7］。

本文結(jié)合某橋梁樁基礎(chǔ)工程實(shí)例，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，明確低應(yīng)變反射波法檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)所在和不足之處。

1 低應(yīng)變反射波法基本原理

低應(yīng)變反射波法理論基礎(chǔ)是應(yīng)力波在樁身中的傳播反射行為。此方法的前提假定樁為連續(xù)彈性的一維均質(zhì)桿，同時(shí)忽略樁周土對(duì)應(yīng)力波的影響。

理論假定:1)各向同性均勻材料;2)等截面直桿;3)平截面假定;4)應(yīng)力均勻分布;5)不計(jì)橫向慣性效應(yīng)。

假定樁身變形前的初始截面面積A、密度ρ、彈性模量E等參數(shù)均為坐標(biāo)的函數(shù)，直桿各截面沿軸向的縱向振動(dòng)位移表示為u(x，t)。由達(dá)朗伯原理可以求出桿微元dx的運(yùn)動(dòng)微分方程為:

其中，c2=E/ρ，為縱波沿直桿的傳播速度。

可以通過時(shí)域與頻域方法對(duì)式(1)進(jìn)行求解，具體過程可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。

2 實(shí)例分析

2.1 工程簡(jiǎn)介

當(dāng)前低應(yīng)變反射波法在全國(guó)應(yīng)用都比較普遍，往往作為超聲波法的輔助手段。由于地質(zhì)條件、樁長(zhǎng)、樁徑等等影響因素，該方法的檢測(cè)結(jié)果離散度比較大。本文以某在建橋梁的11根代表性基樁檢測(cè)工程為研究背景，通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步總結(jié)這種方法在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用。由于當(dāng)?shù)貛r石風(fēng)化嚴(yán)重，樁周土土質(zhì)較差，低應(yīng)變反射波法檢測(cè)數(shù)據(jù)受樁周土地質(zhì)影響較大。該11根基樁均為摩擦樁，旋挖機(jī)鉆孔灌注樁，基樁編號(hào)按照檢測(cè)順序依次編號(hào)，樁長(zhǎng)從16.00 m～40.00 m不等，樁徑范圍為1 200 mm～1 800 mm，混凝土強(qiáng)度均為C30，基本情況如表1所示。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)最終評(píng)定為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)，6號(hào)與11號(hào)為Ⅰ類樁，5號(hào)為Ⅱ類樁，9號(hào)和10號(hào)為Ⅲ類樁，7號(hào)和8號(hào)為Ⅳ類樁，下面分別以1號(hào)，6號(hào)，5號(hào)，9號(hào)，10號(hào)和7號(hào)基樁檢測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行低應(yīng)變反射波法的基樁質(zhì)量評(píng)定。

1號(hào)樁樁底反射信號(hào)明顯，1.5 m樁身處有類似縮頸信號(hào)，混凝土波速偏低，疑似縮頸。后經(jīng)挖檢發(fā)現(xiàn)此處是由于樁頭擴(kuò)徑后漸變恢復(fù)正常樁徑所致，即通常認(rèn)為的“大頭樁”。混凝土波速略低于正常范圍，原因是實(shí)際樁長(zhǎng)略大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

表1 基樁基本情況

6號(hào)樁底無明顯反射信號(hào)，無法檢測(cè)缺陷，混凝土波速正常。此樁較長(zhǎng)且樁徑較大，低應(yīng)變法有時(shí)難以獲得樁底反射波，此時(shí)可以采用大重量尼龍錘等進(jìn)行激振，以獲得窄脈沖低頻信號(hào)，可以改善此類情形。所以對(duì)較長(zhǎng)樁，低應(yīng)變反射波法檢測(cè)有效性受限。

如圖1所示，5號(hào)樁樁底無明顯反射信號(hào)，樁身在8.7 m處有明顯縮頸信號(hào)，混凝土波速處于正常范圍。但是當(dāng)用超聲波透射法復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，8.7 m處正常，12.3 m處混凝土離析。應(yīng)變反射波的縮頸信號(hào)應(yīng)該是因?yàn)闃渡碓?.7 m以上為漸變擴(kuò)徑，在8.7 m處恢復(fù)原直徑所致。同時(shí)低應(yīng)變法沒有發(fā)現(xiàn)12.3 m處混凝土離析病害。

圖1 5號(hào)樁低應(yīng)變反射波法波形

9號(hào)樁底有輕微反射信號(hào)，樁身在13.6 m，21.8 m處均有縮頸信號(hào)，混凝土波速處于正常水平。但是當(dāng)用超聲波透射法檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樁身不但在13.6 m，21.8 m處異常，而且在9.0 m 處PSD值異常，初步認(rèn)為13.6 m處附近有厚約24 cm的夾泥，9.0 m處混凝土輕度離析。

10號(hào)樁底無明顯的反射信號(hào)，混凝土波速處于正常區(qū)間，樁身在2.8 m處有輕微的縮頸信號(hào)。但是當(dāng)用超聲波透射法檢測(cè)，顯示結(jié)果為，在1.8 m處聲速與波幅值明顯低于臨界值，波形異常，22.5 m處波形異常，有少量的夾泥。兩種方法的檢測(cè)結(jié)果差距比較大。

7號(hào)樁底無反射信號(hào)，樁身在17.5 m處有明顯縮頸信號(hào)，混凝土波速處于正常范圍，但是當(dāng)用超聲波透射法檢測(cè)，顯示結(jié)果為，在28.6 m處存在厚約30 cm的夾泥(基本屬于斷樁)。低應(yīng)變反射波法只能發(fā)現(xiàn)17.5 m處存在縮頸信號(hào)，而且無法確定缺陷的具體類型及嚴(yán)重程度，對(duì)于28.6 m處的缺陷和樁底沉渣則因能量衰減等原因無法發(fā)現(xiàn)，由此可見單獨(dú)使用低應(yīng)變法檢測(cè)很容易因漏檢嚴(yán)重缺陷而發(fā)生質(zhì)量事故。

2.3 有效檢測(cè)樁長(zhǎng)分析

一般情況下，樁長(zhǎng)是已知確定性參數(shù)，但極端情況下，受地質(zhì)條件、施工等因素的影響，存在著實(shí)際樁長(zhǎng)與設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)不相符的情況，使得樁底反射波速受影響。若用設(shè)計(jì)完整樁長(zhǎng)的波速平均值來反算樁長(zhǎng)(一般對(duì)于 C30混凝土，波速合理正常范圍為3 700 m/s～4 000 m/s)，如此以來樁長(zhǎng)反算結(jié)果可能會(huì)超過原始設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的10%。所以通常情況下，不適合用低應(yīng)變反射波法來測(cè)定樁長(zhǎng)，也不適合給出具體檢測(cè)樁長(zhǎng)，但是通過對(duì)比已知樁長(zhǎng)能夠確定低應(yīng)變放射波法檢測(cè)的有效樁長(zhǎng)。

表2中，實(shí)際樁長(zhǎng)均由超聲波透射法的實(shí)檢樁長(zhǎng)給出，較為準(zhǔn)確可靠，通過對(duì)比低應(yīng)變法樁底反射信號(hào)就可以確定低應(yīng)變法能夠檢測(cè)的有效樁長(zhǎng)。由表2可知，對(duì)于樁長(zhǎng)不小于39.5 m的6號(hào)樁和5號(hào)樁，樁底已無反射信號(hào)，忽略地質(zhì)差異因素，可以謹(jǐn)慎的認(rèn)為低應(yīng)變反射波法不適宜檢測(cè)樁長(zhǎng)超過39.5 m的基樁。

表2 有效檢測(cè)樁長(zhǎng)分析

2.4 檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性分析

綜合對(duì)比低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果與超聲波法檢測(cè)結(jié)果，可以判定低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果的可靠性，選取有代表性的5根基樁，兩種方法的檢測(cè)對(duì)比結(jié)果見表3。由表3可知，低應(yīng)變反射波法對(duì)淺部缺陷大多比較靈敏;由7號(hào)樁檢測(cè)結(jié)果可知，對(duì)于多缺陷樁，低應(yīng)變反射波法有可能檢測(cè)到較淺的一個(gè)，對(duì)于較深的第二個(gè)缺陷或深部缺陷或許難以有效檢測(cè);8號(hào)樁的檢測(cè)結(jié)果表明，對(duì)位于樁身10.7 m深的嚴(yán)重夾泥缺陷(大約厚15 cm～25 cm)反射信號(hào)不夠明顯，可靠性不夠;9號(hào)樁的檢測(cè)結(jié)果表明，對(duì)于多缺陷樁，在某些情況下，也可以檢測(cè)到較深的第二個(gè)缺陷，由此可見不連續(xù)界面(加泥、孔洞等樁身缺陷)并非消耗下行傳播波能量的唯一因素;同時(shí)發(fā)現(xiàn)5號(hào)樁與10號(hào)樁的兩種方法的檢測(cè)結(jié)果有出入。通過以上對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果尚不盡理想，可靠性略低，目前一般作為與超聲波法檢測(cè)對(duì)比的輔助手段。

表3 缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性分析

3 結(jié)語

本文結(jié)合某在建橋梁的基樁檢測(cè)工程實(shí)踐，通過對(duì)11根典型缺陷樁使用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行檢測(cè)，得出以下結(jié)論:

1)低應(yīng)變反射波法存在有效檢測(cè)樁長(zhǎng)，本文地質(zhì)與樁徑等條件下，低應(yīng)變法適宜檢測(cè)樁長(zhǎng)不超過39.5 m。

2)通常情況下，低應(yīng)變反射波法對(duì)于淺部缺陷較靈敏，但是對(duì)于廣義的縮頸信號(hào)，無法單獨(dú)判斷其具體缺陷類型和嚴(yán)重程度。低應(yīng)變反射波法通過測(cè)量樁速度時(shí)程曲線，可以簡(jiǎn)便快速和相對(duì)準(zhǔn)確的來考察樁身質(zhì)量。

3)為提高低應(yīng)變放射波法檢測(cè)結(jié)果的可靠性，避免基樁檢測(cè)中缺陷漏檢或判定困難，建議與超聲波透射法等其他有效檢測(cè)方法配合使用。

［1］李向翠，陳國(guó)勇.反射波法在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.地震災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1999，10(3)：48-56.

［2］陳 凡，羅文章.預(yù)應(yīng)力管樁低應(yīng)變反射波法檢測(cè)時(shí)的尺寸效應(yīng)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(3)：353-356.

［3］周佳光.樁基缺陷檢測(cè)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題［J］.公路交通技術(shù)，2005(2)：78-81.

［4］吳慶曾.論基樁完整性檢測(cè)技術(shù)［J］.物探與化探，2000，24(4)：284-295.

［5］程建國(guó)，傅樹之.樁基完整性檢測(cè)中的若干問題［J］.平原大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21(3)：23-24.

［6］朱 俊.橋梁基樁內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法對(duì)比研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［7］柯宅邦，劉東甲.低應(yīng)變反射波法測(cè)樁的軸對(duì)稱問題數(shù)值計(jì)算［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(12)：2111-2115.