苗　偉

(中鐵咨詢集團(tuán)北京工程檢測(cè)有限公司，北京　100055)

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低應(yīng)變反射波法在灌注樁淺部異常檢測(cè)中的應(yīng)用

苗偉

(中鐵咨詢集團(tuán)北京工程檢測(cè)有限公司，北京100055)

Low strain reflected Wave Method in the Application of filling Pile Shallow anomaly Detection

MIAO Wei

摘要闡述低應(yīng)變反射波法的工作原理，并通過在混凝土灌注樁樁身完整性檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)樁身淺部常見缺陷類型及檢測(cè)波形，舉例說明低應(yīng)變反射波法在樁身淺部缺陷檢測(cè)中的成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞低應(yīng)變反射波法樁身完整性缺陷

鐵路橋梁采用的基礎(chǔ)類型主要是樁基礎(chǔ)，由于基樁的施工具有隱蔽性，施工質(zhì)量受很多不確定因素的影響，因此，基樁質(zhì)量的檢測(cè)與評(píng)價(jià)就顯得尤為重要?；鶚稒z測(cè)的目的是查明樁身結(jié)構(gòu)的完整性，判斷樁身缺陷及其位置，以便對(duì)影響樁承載力和壽命的樁身缺陷進(jìn)行必要的補(bǔ)救，保證建筑物的質(zhì)量和安全使用。目前，樁身完整性檢測(cè)方法主要有低應(yīng)變反射波法、聲波透射法、高應(yīng)變動(dòng)力試樁法和鉆芯法等。其中，低應(yīng)變反射波法在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為普遍。

1原理

低應(yīng)變反射波法以彈性縱波在一維桿中的傳播理論為基本原理，將樁等價(jià)為一細(xì)長的桿，樁長為L，橫截面積為A，彈性模量為E，質(zhì)量密度為ρ，當(dāng)樁頂受到一縱向錘擊力時(shí)，由平衡關(guān)系及虎克定律可得樁的縱向運(yùn)動(dòng)方程

UI+UR=UT

據(jù)波陣面上動(dòng)量守恒條件，有

ρ1C1A1(UI-UR)=ρ2C2A2UT

其中U，σ分別表示應(yīng)力波波速和應(yīng)力，下標(biāo)I、R、T分別表示入射波，反射波和透射波，由上述可得

UR=-FUI

UT=TUI

n=ρ1C1A1/ρ2C2A2

式中，ρ，C，A為廣義波阻抗；F為反射系數(shù)；T為透射系數(shù)。

1.1不同類型樁的反射特征

(1)完整樁

即ρ1C1A1=ρ2C2A2，n=1，F(xiàn)=0，樁身中不會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，檢測(cè)波形中只有樁底反射信號(hào)。若為摩擦樁，由于樁身材料的ρ1C1遠(yuǎn)大于樁底土的ρ2C2，n> 1，F(xiàn)<0，UR>0，反射波與入射波同相位；若為嵌巖樁，由于樁身材料的ρ1C1A1遠(yuǎn)小于樁底基巖的ρ2C2A2，n<1，F(xiàn)> 0，UR<0，反射波與入射波反相位。

(2)擴(kuò)徑樁

即A2>A1，則n<1，F(xiàn)>0，UR<0，反射波與入射波反相位。

(3)縮徑樁

即A1>A2，則n>1，F(xiàn)<0，UR>0，反射波與入射波同相位。

(4)離析樁

即ρ2C2<ρ1C1，n> 1，F(xiàn)<0，UR<0，反射波與入射波同相位，但離析樁中整樁平均波速低。

(5)斷樁

應(yīng)力波在斷樁處被阻隔，波在斷裂處產(chǎn)生反射，在斷樁中一般得不到整樁的樁低反射信號(hào)，斷樁處的信號(hào)與入射波同相位。當(dāng)已知波速的情況下，根據(jù)實(shí)測(cè)波形反射波的到時(shí)，可計(jì)算樁長或缺陷位置，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為L=C×ΔT/2。

1.2現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與信號(hào)處理

檢測(cè)前對(duì)樁頭進(jìn)行必要的處理，首先挖至樁頂設(shè)計(jì)高程，鑿去浮漿，平整樁頭。對(duì)檢測(cè)儀器設(shè)備進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)儀器設(shè)備的性能狀態(tài)良好，采用力棒給樁頭施加豎向激振力，產(chǎn)生應(yīng)力波，通過安裝在樁頭上的傳感器接收來自樁身的反射信號(hào)，通過動(dòng)測(cè)儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理存儲(chǔ)。

通過動(dòng)測(cè)儀(現(xiàn)場(chǎng))或室內(nèi)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)放大、濾波及分析處理后，得到速度時(shí)程曲線。據(jù)此，即可根據(jù)波形特征進(jìn)行分析，計(jì)算平均波速，判斷樁身完整性及混凝土質(zhì)量。根據(jù)被測(cè)樁波形、波速，結(jié)合工程地質(zhì)及施工記錄，綜合判斷樁身的完整程度類別。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖1、圖2所示。

圖1　檢測(cè)點(diǎn)布置示意

圖2　低應(yīng)變檢測(cè)裝置布置示意

2實(shí)例分析

2.1樁身無異常

當(dāng)樁身完整無異常時(shí)，僅存在唯一的反射界面，即樁底反射面，在條件較好的情況下，可以得到明顯的樁底反射波，樁身無明顯反射波。如圖3所示，該樁設(shè)計(jì)為摩擦樁，樁身完整，樁底反射波與入射波同相位。

圖3　樁身完整

2.2擴(kuò)徑

受地質(zhì)條件和施工工藝的影響，樁身容易產(chǎn)生擴(kuò)徑現(xiàn)象，擴(kuò)徑位置不同，測(cè)試曲線亦不同。

(1)樁頭擴(kuò)徑

樁頭擴(kuò)徑，即俗稱的“大頭樁”，擴(kuò)徑部分以下為正常樁徑。大頭樁會(huì)造成樁身淺部“相對(duì)縮徑”，有明顯反射波，且反射波與入射波同相位。如圖4、圖5所示，該樁設(shè)計(jì)樁徑1.0 m，樁頂高程處樁頭直徑1.5 m，樁頂高程以下1.9 m左右樁徑1.0 m，檢測(cè)信號(hào)在1.9 m處有明顯反射波，反射波與入射波同相位。

圖4　1.9 m左右樁身縮徑

圖5　1.9 m左右樁身縮徑(照片)

(2)樁身擴(kuò)徑

樁身擴(kuò)徑，測(cè)試曲線會(huì)出現(xiàn)先擴(kuò)后縮反射波，如圖6、圖7所示，該樁設(shè)計(jì)樁徑1.0 m，樁頂高程以下1.5～3.2 m樁身擴(kuò)徑，3.2 m以下樁身恢復(fù)設(shè)計(jì)樁徑。

圖6　1.5～3.2 m樁身擴(kuò)徑

圖7　1.5～3.2 m樁身擴(kuò)徑(照片)

2.3縮徑

縮徑是混凝土灌注樁常見的缺陷類型，樁身有明顯反射波，且反射波與入射波同相位?？s徑嚴(yán)重會(huì)出現(xiàn)周期性反射波，無樁底反射波。如圖8，圖9所示，該樁在樁頂高程以下3.1 m左右樁身縮徑。

圖8　3.1 m左右樁身縮徑

圖9　3.1 m左右樁身縮徑(照片)

2.4離析

混凝土離析也是混凝土灌注樁常見的缺陷類型，樁身有明顯反射波，且反射波與入射波同相位。如圖10、圖11所示，該樁在樁頂高程以下3.1 m左右混凝土離析。

圖10　3.1 m左右樁身離析

圖11　3.1 m左右樁身離析(照片)

2.5裂縫

在樁身裂縫處，會(huì)形成與入射波同相位的反射波。當(dāng)樁身斷裂時(shí)，缺陷反射波在樁頂面與缺陷面之間來回反射，反射波呈周期性，反射波能量有規(guī)律遞減。如圖12、圖13所示，該樁在樁頂高程以下3.4 m左右出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

圖12　3.4 m左右樁身斷裂

圖13　3.4 m左右樁身斷裂(照片)

3注意事項(xiàng)

(1)資料收集：檢測(cè)過程中應(yīng)注意資料的收集，包括地質(zhì)勘察報(bào)告、施工工藝、成孔記錄、灌注記錄等，有助于測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與判斷。

(2)樁頭處理：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)應(yīng)保證樁頭無浮漿，盡量保持樁頭平整，樁頭表面無松動(dòng)現(xiàn)象，以免造成誤判。

(3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)應(yīng)選擇合適的激振設(shè)備和粘結(jié)劑，以激勵(lì)出合適的脈沖寬度、頻率、能量等。只有通過敲擊產(chǎn)生合適的振源，才有可能得到正確的波形曲線。

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中圖分類號(hào)：TU473.1+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0071-03

作者簡介：苗偉(1981—)，男，2005年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院勘查技術(shù)與工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-12-25