皮海康， 王齊仁， 蔣 愷

(湖南科技大學(xué) a.資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，b.土木工程學(xué)院， 湘潭 411201)

0 引言

樁基礎(chǔ)是建筑工程中的重要承重部件，其質(zhì)量直接影響到建筑物的安全，有時(shí)由于成樁工藝和工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，施工質(zhì)量難以控制，成樁后必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)[1]。常用的檢測(cè)方法有聲波透射法、低應(yīng)變反射波法、高應(yīng)變法和抽芯法等，其中低應(yīng)變反射波法因操作簡單、快速、可靠性較高、費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。但該方法不僅受到檢測(cè)方法不當(dāng)(如樁頭處理不當(dāng)、測(cè)點(diǎn)位置不對(duì)、錘擊位置過于靠近傳感器、混凝土齡期不夠等)[2-3]的影響，還受到樁周土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，導(dǎo)致采集曲線失真或出現(xiàn)假異常，常常造成錯(cuò)誤判斷[4-6]。筆者結(jié)合工程實(shí)例，著重分析樁周土對(duì)反射波曲線的影響，總結(jié)樁周土對(duì)低應(yīng)變反射波法檢測(cè)的影響規(guī)律。

1 低應(yīng)變反射波法原理

低應(yīng)變反射波法是基于沖擊彈性波的檢測(cè)方法，將樁身假定為一維彈性桿件(樁長直徑)，即樁自身為一維的、連續(xù)的、均質(zhì)的、線彈性體，在樁頂施加豎向錘擊力，產(chǎn)生向下傳播的壓縮波，遇到樁身波阻抗變化的界面時(shí)，波的傳播特性將發(fā)生改變，出現(xiàn)上行反射波和透射波，透射波在實(shí)際應(yīng)用中不便測(cè)量，反射波可通過樁頂接收器接收，通過拾取和分析反射波信號(hào)的波形、振幅、頻率等特征，來判定發(fā)生阻抗差異部位的缺陷性質(zhì)及嚴(yán)重程度，反射波在樁身中傳播如圖1所示。

目前反射波法的信號(hào)分析是基于經(jīng)典的縱波在桿中傳播的理論，即用波動(dòng)方程來描述波在樁中的傳播過程，波動(dòng)方程為：

(1)

(2)

結(jié)合波陣面動(dòng)量守恒定律可以求得反射系數(shù)F，其表達(dá)式為式(3)。

圖1 反射波法傳播示意圖Fig.1 A schematic diagram of the propagation of a reflection wave method

式中:E、ρ、C、A分別代表彈性模量、介質(zhì)密度、應(yīng)力波縱向傳波速度和樁身截面面積。

當(dāng)應(yīng)力波在樁身中傳播遇到波阻抗變化界面時(shí)，反射波的相位也會(huì)隨之發(fā)生變化，由此可以判斷出波阻抗變化界面，并通過L=V×Δt/2判斷出波阻抗變化界面位置。

2 樁周土波阻抗的影響

樁周土層對(duì)低應(yīng)變檢測(cè)的影響[5-6]，主要體現(xiàn)在波阻抗的變化對(duì)反射波的影響。因?yàn)樵跇?土體系中，樁周土的存在不可忽略，樁周土層的變化直接導(dǎo)致樁周波阻抗的變化。波阻抗變化界面的應(yīng)力波反射問題可分為三類：

1)在波阻抗變化界面應(yīng)力波反射系數(shù)F≈0時(shí)，即ρ2c2A2-ρ1c1A1≈0時(shí)，應(yīng)力波幾乎不發(fā)生反射，樁頂反射信號(hào)為“0”。

2)在波阻抗變化界面應(yīng)力波反射系數(shù)F<0時(shí)，即ρ2c2A2-ρ1c1A1<0時(shí)，反射波相位與入射波相位同相，在波阻抗變大的下界面反射波相位與入射波相位相反，在波形上的反映為向上拉升。

3)在波阻抗變化界面應(yīng)力波反射系數(shù)F>0時(shí)，即ρ2c2A2-ρ1c1A1>0時(shí)，反射波相位與入射波相位異相，在波阻抗變小的下界面反射波相位與入射波相位同向，在波形上的反映為向下拉升。

圖2 84號(hào)樁反射波曲線Fig.2 Reflection wave curve of No. 84 pile

需要說明的是，在低應(yīng)變反射波法中，根據(jù)費(fèi)瑪定律，樁身內(nèi)的聲波傳播速度不會(huì)因?yàn)闃吨芡翆硬ㄗ杩沟淖兓淖?，因此樁周土?duì)反射波曲線的影響主要由ρ和A決定。而介質(zhì)密度與樁周土層的性質(zhì)有關(guān)，壓縮模量越小，相同條件下介質(zhì)密度越大；由機(jī)械波的傳播條件可知阻抗變化界面的截面積與樁周土層和樁身的粘合程度有關(guān)，粘合越緊密則等效截面面積越大。

3 實(shí)例分析

3.1 樁周存在軟弱夾層的影響

某建筑工地由上至下地層主要為：種植土，粉質(zhì)粘土，砂礫石，粉質(zhì)粘土，砂礫石。設(shè)計(jì)基樁128根，樁徑1 000 mm，樁長20.0 m～25.0 m不等，采用鉆孔灌注樁，樁型為摩擦端承樁，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。檢測(cè)結(jié)果表明，場(chǎng)地絕大部分樁樁身完整，但東南部有近30根樁在距樁頂約15.0 m處均出現(xiàn)類似異常。以84號(hào)樁為例，反射波曲線如圖2所示。該樁樁長為23.2 m，在15.4 m左右處出現(xiàn)明顯的同相反射，但抽芯芯樣完整，樁身并不存在缺陷。

樁周土層從波阻抗大的土層向波阻抗小的土層傳播時(shí)，反射波會(huì)在相應(yīng)位置產(chǎn)生向上拉升的波形，該反射信號(hào)為軟弱夾層對(duì)樁身應(yīng)力波曲線的干擾，造成同相反射“缺陷”的假象。

3.2 樁周存在硬夾層的影響

圖3 32號(hào)樁反射波曲線Fig.3 Reflection wave curve of No. 32 pile

圖4 52號(hào)樁反射波曲線Fig.4 Reflection wave curve of No. 52 pile

某建筑工地由上至下地層主要為：人工填土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，砂礫石，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。設(shè)計(jì)基樁178根，樁徑為1 000 mm，樁長在18.0 m～23.0 m之間，采用鉆孔灌注樁，樁型為摩擦端承樁，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。檢測(cè)結(jié)果表明，場(chǎng)地絕大部分樁樁身完整，但西南部有近20根樁在距樁頂約7.0 m處均出現(xiàn)類似異常。以32號(hào)樁為例，反射波曲線如圖3所示。該樁樁長為18.67 m，在7.2 m左右處出現(xiàn)明顯的同相反射，但抽芯芯樣完整，樁身并不存在缺陷。

樁周土層從波阻抗小的土層向波阻抗大的土層傳播時(shí)，反射波會(huì)在相應(yīng)位置產(chǎn)生向下拉升的波形，該反射信號(hào)為硬夾層對(duì)樁身應(yīng)力波曲線的干擾，造成異向反射“缺陷”的假象。

3.3 樁底等效波阻抗與樁身接近時(shí)的影響

某建筑工地由上至下地層主要為：人工填土，粉質(zhì)粘土，砂礫石層，粉質(zhì)粘土，砂礫石層。設(shè)計(jì)基樁164根，樁徑1 000 mm，樁長22.0 m～25.0 m不等，采用鉆孔灌注樁，樁型為嵌巖樁，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。檢測(cè)結(jié)果表明，場(chǎng)地絕大部分反射波曲線樁底反射不清晰。以52號(hào)樁為例，反射波曲線如圖3所示。該樁樁長為23 m，但抽芯芯樣完整，樁底嵌固良好，樁身并不存在缺陷。

樁底土等效波阻抗與樁身波阻抗相近，應(yīng)力波為被樁底土吸收，發(fā)生全透射，造成樁底反射信號(hào)不清晰。

4 結(jié)論

樁周土層對(duì)低應(yīng)變法檢測(cè)曲線的影響主要有三種情況：①樁周土存在軟弱夾層時(shí)，檢測(cè)曲線易出現(xiàn)同向反射子波，形似縮頸缺陷；②樁周土層存在硬夾層時(shí)，檢測(cè)曲線易出現(xiàn)反相反射子波，形似擴(kuò)徑缺陷；③樁底土層等效波阻抗與樁身波阻抗相近時(shí)，檢測(cè)曲線樁底反射不明顯。因此當(dāng)曲線出現(xiàn)缺陷反射、樁底反射不明顯等異常情況時(shí)，應(yīng)充分考慮到樁周土阻力的變化對(duì)曲線的影響，不能盲目的對(duì)曲線反應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行定性。只有當(dāng)土阻力等干擾因素剔除后，才能對(duì)曲線變化做出正確的判斷。反射波法結(jié)果曲線不僅反映了樁身完整性情況，還反映了樁身受到波阻抗等影響因素的影響。為更好地對(duì)樁的質(zhì)量進(jìn)行分析和判斷，必須對(duì)所檢工地的相關(guān)資料進(jìn)行收集和了解，包括工地的地質(zhì)資料，巖土的力學(xué)性能，土層的分布和走向，了解在樁長度范圍內(nèi)各層的含水量、孔隙比、壓縮模量等。在對(duì)低應(yīng)變曲線分析時(shí)，如果有明顯波阻抗變化界面存在，應(yīng)優(yōu)先考慮到干擾因素對(duì)曲線的影響(如樁周土層土阻力的變化情況)，才能正確判斷樁身的完整性。在排除干擾因素后也無法確定樁身質(zhì)量和完整性時(shí)，可通過抽芯法等直觀檢測(cè)手段進(jìn)行判別和驗(yàn)證。