2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
本試驗(yàn)對(duì)湖南省某電廠基樁工程的人工挖孔樁進(jìn)行了低應(yīng)變反射波完整性檢測(cè)。
2.1 應(yīng)力波在樁身中波速和樁身缺陷位置的確定
受檢測(cè)樁樁長(zhǎng)L已知,樁底反射信號(hào)明確,速度波第一波峰和樁底反射波峰之間的時(shí)間差 (如圖2所示)可直接讀取,樁身波速值可按下式計(jì)算:
(8)

圖2 缺陷樁的典型低應(yīng)變時(shí)程曲線
則樁身缺陷位置可采用下式計(jì)算:
(9)
式中:X為樁身缺陷位置到傳感器安裝點(diǎn)的距離;Δtx為速度波第一波峰和缺陷反射波峰之間的時(shí)間差(見(jiàn)圖2);c為受檢測(cè)樁的樁身波速度。
2.2 檢測(cè)驗(yàn)證結(jié)果
對(duì)低應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)采集的若干要點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié),安裝傳感器前處理樁頭,正確安裝傳感器,正確進(jìn)行激振操作,合理設(shè)定測(cè)試參數(shù),并排除人為操作不當(dāng)或數(shù)據(jù)、曲線分析不準(zhǔn)確對(duì)本次試驗(yàn)所造成的干擾,對(duì)所采集的合格曲線進(jìn)行正確的分析,從而實(shí)現(xiàn)了利用低應(yīng)變反射波法對(duì)測(cè)試曲線表現(xiàn)為若干復(fù)雜形態(tài)的某電廠人工挖孔樁的樁身完整性類(lèi)別進(jìn)行判斷。通過(guò)鉆芯驗(yàn)證以及結(jié)合工程地質(zhì)資料和施工資料,對(duì)同一場(chǎng)地基樁檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,并參考規(guī)范[4]中的規(guī)定,最終對(duì)該電廠的若干基樁的樁身完整性進(jìn)行了正確判斷。這些基樁的樁身完整性綜合判定如下所示:
(1) 信號(hào)樓D9#基樁,樁徑800 mm,樁長(zhǎng)11.40 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25,樁身低應(yīng)變完整性為Ⅱ類(lèi),鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi),裝身質(zhì)量綜合判定為合格。
(2) 2#鍋爐房16#基樁,樁徑1 200 mm,樁長(zhǎng)20.70 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,樁身低應(yīng)變完整性為Ⅱ類(lèi),鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi),裝身質(zhì)量綜合判定為合格。
(3) 2#鍋爐房3#基樁,樁徑1 200 mm,樁長(zhǎng)17.10 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,樁身低應(yīng)變完整性為Ⅲ類(lèi),鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi),裝身質(zhì)量綜合判定為合格。
(4) 2#鍋爐房46#基樁,樁徑1 200 mm,樁長(zhǎng)17.70 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,樁身低應(yīng)變完整性為Ⅲ類(lèi),鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi),裝身質(zhì)量綜合判定為合格。
(5) 煙囪28#基樁,樁徑1 000 mm,樁長(zhǎng)13.50 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,樁身低應(yīng)變完整性不確定,鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi),裝身質(zhì)量綜合判定為合格。
(6) 1#鍋爐房14#基樁,樁徑1 200 mm,樁長(zhǎng)28.40 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,樁身低應(yīng)變完整性不確定,鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi),裝身質(zhì)量綜合判定為合格。
(7) 鐵路橋2-1#基樁,樁徑1 500 mm,樁長(zhǎng)20.30 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25,樁身低應(yīng)變完整性為Ⅲ類(lèi),鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi),裝身質(zhì)量綜合判定為合格。
(8) 辦公樓11#基樁,樁徑1 200 mm,樁長(zhǎng)25.30 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,樁身低應(yīng)變完整性不確定,鉆芯法完整性為Ⅳ類(lèi),樁身質(zhì)量綜合判定為不合格。
3 驗(yàn)證結(jié)果與分析
3.1 信號(hào)樓D9#基樁
信號(hào)樓場(chǎng)地14根基樁,經(jīng)低應(yīng)變反射波法完整性檢測(cè),其中13根基樁的低應(yīng)變樁身完整性類(lèi)別為Ⅰ類(lèi),僅D9#基樁為Ⅱ類(lèi)。如圖3所示,D9#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線在4.7 m處有一比較明顯的同相反射,判斷該處樁身存在缺陷。但經(jīng)過(guò)鉆芯檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)該處樁身有缺陷,鉆取出的砼芯樣連續(xù)完整,判定其樁身鉆芯法完整性類(lèi)別為Ⅰ類(lèi)。
查閱施工記錄及地質(zhì)資料可得,信號(hào)樓場(chǎng)地地層條件簡(jiǎn)單,無(wú)溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象,14根基樁成孔和砼澆筑過(guò)程順利,但當(dāng)時(shí)回填時(shí)僅D9#基樁5 m深左右回填過(guò)一薄層破碎煤矸石,其余13根基樁周?chē)靥顬榫火ね痢F扑槊喉肥W(xué)性質(zhì)非常差,而且遇水即軟化成流泥狀,能導(dǎo)致該處的廣義波阻抗減小。故可以判斷圖3中4.7 m處的同相反射是該處樁周煤矸石的軟夾層所造成的。

圖3 信號(hào)樓D9#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線
3.2 2#鍋爐房16#基樁
彈性波在阻抗變化界面處會(huì)反射,本文將這一次反射稱(chēng)為一次反射波。這一次反射波向上傳播到達(dá)樁頂,一方面為檢測(cè)儀器接收,另一方面在樁頂這一波阻抗變化界面處引起反射,且此反射波向下傳播至樁身原波阻抗變化界面處造成相對(duì)入射波的同相反射,這一反射可以理解為該樁身原波阻抗變化界面的二次反射[5]。此二次反射波所導(dǎo)致的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度與最初的入射波所引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度方向一致,它向上傳播被檢測(cè)儀器所接收。由于二次反射波傳播到樁頂所用的時(shí)間是一次反射波傳播到樁頂所用的時(shí)間的2倍,且低應(yīng)變時(shí)程曲線所表示的是樁頂處檢測(cè)點(diǎn)位置的速度響應(yīng)[5],所以,二次反射在低應(yīng)變時(shí)程曲線上表現(xiàn)為,在一次同相(異相)反射之后的2倍距離處出現(xiàn)一相對(duì)入射波的同相反射。從上述可知,二次反射的存在必然會(huì)給低應(yīng)變反射波完整性檢測(cè)帶來(lái)不容忽視的影響,2#鍋爐房16#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線就屬于這種情況。
16#基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線如圖4所示。低應(yīng)變時(shí)程曲線中,6.2 m和12.2 m位置出現(xiàn)同相反射,據(jù)此判斷其低應(yīng)變樁身完整性類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),但經(jīng)鉆芯取樣檢測(cè)卻并未發(fā)現(xiàn)任何樁身缺陷,故判斷其鉆芯法完整性類(lèi)別為Ⅰ類(lèi)。查閱工程勘察資料可知,2#鍋爐房場(chǎng)地地層較為復(fù)雜,并伴有大小溶洞。據(jù)施工資料記錄,16#基樁孔開(kāi)挖至6 m左右出現(xiàn)了小溶洞,施工單位用一些稻草和砂石進(jìn)行了松散充填處理,而其它深度地層良好,未再出現(xiàn)溶洞。由此可判斷,16#基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線6.2 m處的同相反射是樁身混凝土和溶洞中的松散充填物間界面的波阻抗變化引起的,而12.2 m處的同相反射是6.2 m處的同相反射的二次反射。

圖4 2#鍋爐房16#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線
3.3 2#鍋爐房3#基樁
如圖5所示,2#鍋爐房3#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線形態(tài)復(fù)雜,在首波和樁底反射波之間出現(xiàn)多次反射,據(jù)此判斷樁身低應(yīng)變完整性類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。但鉆芯取樣結(jié)果顯示,樁身混凝土取芯率高,芯樣多呈柱狀,骨料分布均勻,樁身質(zhì)量較好,因此可判斷其樁身鉆芯法完整性類(lèi)別為Ⅰ類(lèi),且可認(rèn)定低應(yīng)變時(shí)程曲線中的多次反射不是樁身混凝土波阻抗變化所引起的。

圖5 2#鍋爐房3#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線
據(jù)施工資料記錄,2#鍋爐房3#基樁孔開(kāi)挖至3 m左右深出現(xiàn)巖石,9 m至12 m左右出現(xiàn)一個(gè)橫向直徑為3 m大的溶洞,當(dāng)時(shí)施工人員對(duì)這個(gè)溶洞采取的處理方法是用混凝土進(jìn)行澆筑封堵。因此可以判斷,低應(yīng)變時(shí)程曲線3.3 m處的異相反射應(yīng)該是入巖反射,6.6 m處的同相反射則是3.3 m處入巖反射的二次反射,而又因?yàn)閷?duì)溶洞采用混凝土澆筑封堵,造成樁身變相擴(kuò)徑和變相縮徑,故低應(yīng)變時(shí)程曲線9.1 m處出現(xiàn)的異相反射是溶洞頂位置的擴(kuò)徑反射,12.3 m處出現(xiàn)的同相反射是溶洞底的縮徑反射。
3.4 2#鍋爐房46#基樁
從圖6可以看出,2#鍋爐房46#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線在6.13 m和11.98 m兩處分別有一個(gè)同相反射波,判斷其低應(yīng)變樁身完整性類(lèi)別為Ⅲ類(lèi);但經(jīng)鉆芯取樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn),樁身混凝土芯樣完整連續(xù),質(zhì)量良好,樁身鉆芯法完整性為Ⅰ類(lèi)。因此,該低應(yīng)變時(shí)程曲線的2個(gè)同相反射波不是樁身質(zhì)量缺陷所致。
人工挖孔樁先挖孔,后成樁,其間有一個(gè)非常重要的工序——護(hù)壁。有時(shí)由于樁周上下地層條件的不同,同一人工挖孔樁不同部位會(huì)采用不同材料來(lái)護(hù)壁,常見(jiàn)的有混凝土、磚塊等。這樣,不同護(hù)壁會(huì)導(dǎo)致樁孔上下內(nèi)徑不同,也就會(huì)導(dǎo)致樁身上下樁徑不同。當(dāng)時(shí),2#鍋爐房46#基樁孔在6.1 m以上采用磚塊護(hù)壁,而6.1 m以下采用混凝土來(lái)護(hù)壁,這就導(dǎo)致了樁身6.1 m處上下樁徑不同,所以低應(yīng)變時(shí)程曲線在此處出現(xiàn)反射。從該低應(yīng)變時(shí)程曲線可以看出,11.98 m處的同相反射波幅值相比6.13 m處的同相反射波幅值較小,11.98 m處距樁頂距離正好是6.13 m處距樁頂距離的兩倍,因此可判斷11.98 m處的同相反射是6.13 m處反射的二次反射。

圖6 2#鍋爐房46#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線
3.5 1#鍋爐房14#基樁、煙囪28#基樁和鐵路橋2-1#基樁
低應(yīng)變時(shí)程曲線上的樁端反射在樁身完整性類(lèi)別判定中具有重要作用,其具體表現(xiàn)為:①有無(wú)樁端反射是低應(yīng)變樁身完整性分類(lèi)的一個(gè)參考依據(jù);②樁身中應(yīng)力波的傳播波速是判定樁身混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。要想確定波速,就得先確定樁長(zhǎng)和應(yīng)力波從樁頂傳播至樁底再?gòu)臉兜讉鞑サ綐俄斔玫臅r(shí)間。通常情況下,樁長(zhǎng)是已知的,而時(shí)間的確定就得依賴(lài)于低應(yīng)變時(shí)程曲線上的樁端反射的確定;③同時(shí),雖然規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定樁端反射的相性和幅值可以反映樁端持力層的性狀,但實(shí)際檢測(cè)工作中,樁端反射對(duì)樁端持力層情況的反映是不可以忽視的。
然而在低應(yīng)變時(shí)程曲線上確定樁端反射也不是那么容易的,首先,樁端反射會(huì)在波阻抗或者樁長(zhǎng)等因素的影響下變得微弱或幾乎沒(méi)有,這將導(dǎo)致很難確定樁端位置;其次,樁端反射的相性可能會(huì)被改變,這又將導(dǎo)致誤判樁端持力層的性狀。
1#鍋爐房14#基樁、煙囪28#基樁和鐵路橋2-1#基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線分別如圖7所示。1#鍋爐房14#基樁、煙囪28#基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線相似,均無(wú)樁端反射,無(wú)法從時(shí)程曲線判斷其完整性類(lèi)別;鐵路橋2-1#基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線7 m左右有比較強(qiáng)烈的異相反射,樁端附近有明顯的同相反射,判斷該樁低應(yīng)變樁身完整性類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。然而鉆芯結(jié)果顯示這3根基樁樁身質(zhì)量較好,均可以判定為鉆芯法完整性Ⅰ類(lèi)。參照對(duì)比同一場(chǎng)地、同一地質(zhì)條件、樁型和成樁工藝相同的基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線,結(jié)合鉆芯成果分析可知,1#鍋爐房14#基樁時(shí)程曲線無(wú)樁端反射,是因?yàn)閼?yīng)力波在樁身中的傳播是一個(gè)能量不斷被衰減的過(guò)程,如果樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波能量被衰減殆盡,應(yīng)力波不能傳播到樁底或者不能從樁底反射回樁頂;煙囪28#基樁則因?yàn)闃抖顺至硬ㄗ杩古c樁身混凝土波阻抗相匹配,使得樁端界面沒(méi)有明顯的波阻抗變化,以致入射波全部透射進(jìn)持力層,也就無(wú)法產(chǎn)生樁端反射波。而鐵路橋2-1#基樁樁端附近出現(xiàn)的強(qiáng)烈同相反射,是樁身7 m左右的異相反射的二次反射與樁端反射的疊加,由于該二次反射的幅度很長(zhǎng),延伸到了樁端,以致造成誤判。

圖7 低應(yīng)變時(shí)程曲線

圖8 辦公樓11#基樁的低應(yīng)變時(shí)程曲線
3.6 辦公樓11#基樁
如圖8所示,辦公樓11#基樁低應(yīng)變時(shí)程曲線無(wú)樁端反射,但也無(wú)其他缺陷反射,故初步判斷樁身質(zhì)量良好。經(jīng)鉆芯進(jìn)一步檢測(cè)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),樁底無(wú)沉渣,以中等風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r為持力層,混凝土膠結(jié)度差,完整芯樣很少,整體呈碎塊狀,從25.3 m長(zhǎng)的基樁中所鉆出來(lái)的芯樣用一個(gè)5 m長(zhǎng)的芯樣盒就裝下。據(jù)此可判斷此樁鉆芯法完整性類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。
辦公樓11#基樁樁身質(zhì)量如此差,為何低應(yīng)變時(shí)程曲線上沒(méi)有體現(xiàn),低應(yīng)變反射波法檢測(cè)失效?一維彈性桿件假設(shè)是低應(yīng)變反射波法檢測(cè)基樁完整性的基礎(chǔ),如果基樁不能滿足一維彈性桿件假設(shè)條件,則低應(yīng)變反射波法對(duì)此基樁的檢測(cè)也就失效。某些基樁樁身很長(zhǎng),入巖較早,如樁身與樁周?chē)鷰r連接好,且樁周?chē)鷰r波阻抗與樁身波阻抗相差不大,則基樁入巖的這一長(zhǎng)段樁身已經(jīng)很難滿足將檢測(cè)樁作為一維彈性桿件的要求[6-8],這就會(huì)導(dǎo)致低應(yīng)變反射波法的失效。
辦公樓11#基樁未按設(shè)計(jì)要求用規(guī)定的商品混凝土進(jìn)行澆筑,而是采用施工單位自配的混凝土澆筑的,混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,樁身波阻抗與圍巖波阻抗無(wú)明顯差異,使得該樁不能滿足一維彈性桿件的假設(shè)條件,最終導(dǎo)致低應(yīng)變反射波法檢測(cè)失效。
4 結(jié) 論
通過(guò)對(duì)湖南某電廠基樁工程檢測(cè)成果分析與總結(jié),人工挖孔樁的低應(yīng)變反射波完整性檢測(cè)的局限性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 樁周地層變化對(duì)低應(yīng)變完整性檢測(cè)所引起的干擾,如信號(hào)樓的D9#基樁。
(2) 波阻抗變化界面的二次反射所產(chǎn)生的干擾,如2#鍋爐16#基樁。
(3) 樁周地層的變化和二次反射的共同影響,如2#鍋爐房場(chǎng)地3#基樁。
(4) 不同護(hù)壁對(duì)低應(yīng)變完整性檢測(cè)的干擾,如2#鍋爐房的46#基樁。
(5) 樁周地層和樁端持力層的性狀及樁身長(zhǎng)度對(duì)樁端反射產(chǎn)生的影響,如1#鍋爐房的14#基樁、煙囪的28#基樁和鐵路橋的2-1#基樁。
(6) 樁身和樁周?chē)鷰r相互作用下使低應(yīng)變完整性檢測(cè)失效,如辦公樓的11#基樁。
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