低应变反射波法在桩基施工质量检测中的应用

2012-08-02钟亮根

铁道标准设计 2012年4期

钟亮根

(京福闽赣客运专线有限公司，福州 350000)

近年来，随着工程建设的快速发展，桩基础作为一种有效、安全、可靠的基础形式在地基处理中得到了广泛的应用。但是，桩基础属地下隐蔽工程，所以施工过程中难免会出现缩颈、扩颈、断裂、夹泥、离析等缺陷，这些缺陷都不同程度的影响了桩基质量，进而影响到工程结构物的安全。因此，如何准确的检测出桩基存在的缺陷成为桩基础施工质量控制的关键。

桩身完整性检测常用方法包括有:静载试验法、高应变法、声波透射法、钻芯法等[1]，而低应变反射波法以其便捷经济、检测速度快、无损、对现场需求小等优点[2]，已成为国内外桩基检测中应用最广泛、最成熟的一项检测技术，卢生强等通过精伊霍铁路桩基工程实例，详细分析了桩基各种缺陷与反射波形特征变化的内在联系[3];曹三华等结合工程实例总结出低应变反射波法检测桩基完整性的工作程序和工作要点[4];而白永超等从检测存在的局限性出发，多方面探讨了该技术存在的不足，并提出了相应的解决措施和改进方法[5]。以合福客专路基C20钻孔灌注桩为检测对象，通过对实测波形的特征分析，准确的判定了缺陷位置及类型，研究表明，该检测方法能便捷有效地检测桩的完整性及成桩质量。

1 检测原理

低应变反射波法以一维波动方程为理论基础，把桩简化为一维弹性均质直杆、纵向振动模型，通过桩顶瞬态激振，给予桩身纵向应力波，应力波在沿桩身向下传播过程中，当遇到桩身混凝土波阻抗发生变化时，如桩身几何尺寸(缩、扩颈)、截面材料物理性质变化(离析、夹泥)等，纵向应力波在其界面就会产生入射、反射及透射。因此，根据入射、反射及透射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征即可判定桩身混凝土的完整性、缺陷程度及位置范围。

2 成桩完整性判定

2.1 判定依据

根据应力波在杆纵向传播遇波阻抗发生变化时，在其界面将发生入射、反射和透射，其波速与波阻抗之间存在下列关系[6-8]:

式中，Ψ=(ρc1Vc1A1)/(ρc2Vc2A2)，为 2 种介质的波阻抗比;反射系数;透射系数;Vc、ρ、A为2种不同波阻抗发生变化处质点运动速度、密度和截面面积;Vi、Vr、Vt分别为入射、反射和透射波波速。

2.2 缺陷类型

由式(1)可知，Ψ、T恒为正，即透射波和入射波方向始终一致。下面通过讨论反射系数F的变化来讨论反射波的情况，并结合地质、施工资料及波形特征等因素来判定桩的缺陷类型。

2.2.1 无缺陷桩

完整性良好的桩因介质、截面均匀，无波阻抗变化，不发生波的反射，即Ψ=1，F=0，则有Vr=0、Vi=Vt，说明质点以不变的波速向前传播。

2.2.2 有缺陷桩

(1)Ψ＞1，即ρc1Vc1A1＞ρc2Vc2A2，则F＜0，即反射波与入射波同相位。其中又分为以下两种情况:

①若A1=A2，则ρc1Vc1＞ρc2Vc2，即桩身截面积不变，则应力波由密度大、传播速度快的介质向密度小、传播速度慢的介质传播，桩下部发生了断桩或离析;

②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，则A1＞A2，即桩身材料性质不变，则桩身截面发生了变化，应力波由截面积大向截面积小的方向传播，桩发生缩颈。

(2)Ψ＜1，即ρc1Vc1A1＜ρc2Vc2A2，则F＞0，即反射波与入射波反相位。其中又分为以下两种情况:

①若A1=A2，则ρc1Vc1＜ρc2Vc2，即桩身截面积不变，则应力波由软材料向硬材料方向传播;

②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，则A1＜A2，即桩身材料性质不变，则桩身截面发生了变化，应力波由截面积小向截面积大的方向传播，桩发生扩颈或桩底嵌固。

2.3 缺陷位置的判定

桩身缺陷位置按下列公式计算[9]

式中l——测点至桩身缺陷的距离，m;

Δt——时域信号第一峰与缺陷反射波峰间的时间差，ms;

Δf'——幅频曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差，Hz;

Vc——桩身波速，m/s，无法确定时用桩身平均速度替代。

3 检测影响因素

采用低应变反射波法对桩基进行检测，如何获得真实的实测波形图，成为反映桩身施工质量的关键。为尽量避免干扰波的影响，在检测中应注意以下因素的影响。

3.1 桩头处理

桩头混凝土不密实，会导致激振信号振荡，所采集波形与浅部缺陷波形类似，以致形成误判。因此，桩顶应凿至坚硬、密实、新鲜混凝土面并打磨至水平。

3.2 传感器的耦合

传感器可用黄油、橡皮泥、石膏等材料耦合，粘结应尽量薄，且安装后的传感器必须与桩顶面垂直、牢固、不得有裂缝或浮动砂砾存在，以免影响信号的真实性。

3.3 激振点及传感器位置

实践证明，对于钢筋混凝土灌注桩，以桩中心为激振点、距中心点2R/3处为传感器安装点，能更好的获得反映桩的真实波形，避免因激振点与安装点距离过近而出现负向反冲波，进而掩盖桩身浅部缺陷，给分析带来困难。

同时，激振点及传感器位置应避开钢筋笼主筋的影响，避免由钢筋笼主筋与素混凝土交界面处因波阻抗变小而误判为断桩或离析。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

合福客专DK365+676.48～DK365+739.50路基段DK365+729.50～DK365+739.50采用C20钻孔灌注桩加固，共40根，桩长3.0～11.0 m，桩径0.6 m，桩间距2.0 m，按正方形布置，桩体配8根HRB335φ16 mm钢筋笼，其长度由桩顶进入桩体不小于5 m(桩长＜5 m时，钢筋笼长度按实际桩长计)，单桩承载力设计值为511 kN。桩体伸入地层共2层，分别为全、强风化千枚岩，σ0=200～300 kPa，地下水为基岩裂隙水，不发育。

4.2 检测方案

本次桩基完整性检测设备采用武汉岩土科研所生产的RSM-PRT低应变仪，传感器为加速传感器，耦合剂为黄油;凿去被检测桩桩顶浮渣，直至露出坚硬、密实的新鲜混凝土面，打磨至水平;激振点位置选择在桩顶中心，每根桩呈“十”字形在2R/3处布置4个检测点，确保每根桩检测点所检测的有效信号点数均大于3个，如图1所示。

图1 激振点及传感器安装点布置示意

4.3 数据分析

本次共检测桩4根，并通过所配套的时域分析软件对数据进行处理分析。对所检测桩中具代表性波形分析如下[10，11]。

4－3号桩设计桩长7.0 m，测设波形如图2所示。

图2 无缺陷波形

图2中波形曲线平滑，2L/Vc时刻前无缺陷反射波，且桩底反射波明显，Δt=3.11 ms，Vc=4 676 m/s，由式(2)计算L=7.27 m，与设计桩长吻合，则桩结构完整性良好。

3－2号桩设计桩长9.0 m，测设波形如图3所示。

图3 缺陷波形

由图3可知:Vc=3 262 m/s，波形曲线在2L/Vc=5.52 ms时刻前出现轻微缺陷反射波，且桩底有弱反射波，Δt=5.90 ms，由式(2)计算L=9.60 m，与设计桩长基本吻合。缺陷波出现位置处传播时间差为Δt=2.02 ms，则l=3.30 m。根据反射波同相位、桩底有弱反射波，可判定距桩头3.30 m处存在离析或夹泥，与在此处灌注时换混凝土罐车的施工记录相吻合。