嵌岩桩低应变法检测问题分析

2014-07-25陈宗起李国良

铁道勘察 2014年1期

关键词：基桩波速变法

陈宗起李国良

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

嵌岩桩低应变法检测问题分析

陈宗起李国良

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

通过理论分析并结合实例，对低应变法检测过程中遇到的问题进行分析。判释时需要考虑地质地层条件、岩石风化程度、施工工艺等因素的影响，遇到疑问桩，要用多种方法进行验证及综合评定。

嵌岩桩低应变法检测问题分析综合应用

桩端嵌入岩体中的桩称为嵌岩桩。嵌岩桩在铁路桥梁基础工程中大量使用，嵌岩桩的质量控制包含桩身砼质量和桩端嵌岩质量。低应变法是目前检测桩身混凝土完整性质量的主要方法，因其简便、快捷、经济的特点，在适宜的端承摩擦桩或端承桩中也得到广泛应用。

铁路工程因线路里程长，地质条件复杂多变，嵌岩桩受成桩工艺、入岩深度、风化程度、沉渣厚度和桩身截面变化等因素的影响，造成低应变法实测曲线很不规则，给桩身质量的分析判定带来很大的不确定性。

1 低应变法检测原理简介

1.1 波动方程

在桩顶施加激振力产生应力波，应力波沿桩身传播过程中，遇到桩身缺陷或截面变化和桩底时，由于波阻抗变化，将产生反射波。通过分析反射波的时程、相位、幅值和波形特征，判定桩身混凝土的完整性，其理论建立在一维杆波动理论的基本原理上。由平衡关系及虎克定律可得桩的波动方程

∂2u/∂x2=(1/c2)(∂2u/∂t2)

结合边界条件可对方程求解。

1.2 数据分析与判定

(1)分析方法

桩身完整性分析以时域分析为主，辅以频域分析。

(2)桩身波速平均值的确定

当桩长已知、桩底反射信号明显时，选取相同条件下不少于5根Ⅰ类桩的桩身波速计算桩身平均波速；当桩身波速平均值无法在本场地确定时，可根据本地区相同桩型及施工工艺的基桩测试结果，结合桩身混凝土强度等级与经验综合确定。

(3)桩身缺陷位置按下列公式计算

2 实测中的几个问题

2.1 桩底同相反射信号分析

一般情况下，多数嵌岩桩在入岩位置因波阻抗增大，其反射信号与入射波相位相反；在检测过程中发现，存在嵌岩桩桩底反射信号与入射波同相位，此现象多数被认为是桩底沉渣过厚等缺陷，但实践中问题未必有这么严重。

如图1，为某铁路桥梁基桩的实测时域波形，基桩设计桩长18.0 m，桩直径1.0 m，显示有明显的同相位桩底反射信号，实测波形类似于摩擦桩的情况。其地质资料表明，基桩持力层为青灰色千枚岩，清孔和灌桩记录并无不良现象。后经取芯验证，桩身混凝土完整，桩底与基岩胶结好，判定为Ⅰ类桩。

图1 桩底同相反射明显的实测曲线

分析上述实例，嵌岩桩持力层为具有千枚状构造的千枚岩，弱风化，变质程度介于板岩和片岩之间；因其密度、波速均小于桩身混凝土，所以基岩的波阻抗小于桩身波阻抗，造成桩底同相反射信号。

2.2 桩身岩层变化处曲线特征

实测中，岩层风化程度不同，岩体强度差异大，加上施工工艺的影响，造成嵌岩桩低应变法曲线复杂。采用锤击成孔工艺由软层进入硬层时，因下部岩层强度高，自由落下的重锤易扰动软岩层，使岩层交界处截面扩大，上、下岩体强度差异造成变层处波阻抗增大，低应变法实测曲线呈现与入射波反相位信号。

如图2，某铁路客专桥梁基桩，桩长为17.5 m，桩径1.0 m，曲线显示桩身11.0 m左右扩径；勘察报告表明，桩顶高程下，千枚岩地层10.7 m由强风化过渡到弱风化地层，灌注时此处砼浇筑量增大，整桩充盈系数达到1.75，所测试的曲线扩径处与地质情况变层深度相吻合。

图2 强风化进入弱风化地层反相实测曲线

另外，部分嵌岩桩桩身入岩处也会出现较强的同相位反射信号，类似于缩径或断桩。结合相应的地质资料、成孔记录以及灌桩记录分析，判断是因为入岩段桩身截面渐扩后陡缩恢复至原桩径产生的同相位反射，俗称“假缩径”。如图3，桩长为22.0 m，桩径1.0 m的一桥梁基桩，岩层自强风化进入弱风化层，曲线同相反射信号明显，经钻探取芯验证，桩身砼质量良好，避免了对桩身完整性的误判。

图3 强风化进入弱风化地层同相实测曲线

上述分析可见，低应变检测曲线复杂，具体判释要结合地质条件进行；图2、图3实测曲线桩底反射信号均不明显，无法确定桩身平均波速，因岩层变化处存在明显反射信号，实践中可根据地层的埋深来核对桩身平均波速。

2.3 低应变法与声波透射法的比对问题

一段时间以来，铁路工程的基桩检测要求按一定比例进行低应变法与声波透射法两种检测方法的比对试验。

声波透射法检测不受桩长的限制，对桩长的判定直接有效。采用这种方法时应考虑预埋声测管，施工时对声测管的材质和安装质量要求高，需确保声测管顺直、通畅且相互平行，连接处和管底有效封闭；该方法检测精细，能够较好地判断混凝土的局部细小缺陷。

低应变法更适宜对基桩截面变化(扩径、缩径)、桩身中上部砼质量的检测，因桩的深部反射信号太弱，判定桩的深部质量是很困难的。

某铁路客专桥梁工程嵌岩桩，声波透射法测试结果为：两个剖面在桩顶下24.2～25.0 m处测点的声速、波幅低，PSD值异常突变，另一剖面在此范围内各声学参数也低于临界值，判定桩身质量存在严重缺陷；比对的低应变法实测曲线经3倍指数放大后在此处有一微弱同相位信号，表明对缺陷有反映，因不明显，往往很容易被技术人员忽略而引起误判。

低应变法和声波透射法两种检测方法各具特点，适宜性有所不同，但对完整性的判断和检测结论应是基本一致的。所以说，嵌岩桩低应变反射波法检测的可靠性与检测单位和检测人员的技术水平、经验、责任心有很大关系。

2.4 嵌岩桩低应变法检测与其它方法的综合应用

在检测嵌岩桩的实践中，既要认识到低应变法对嵌岩桩检测的积极作用，又要实事求是地看到在检测有些嵌岩桩时需要结合其他方法综合判定。对于大直径嵌岩桩，当出现信号复杂，无法对其进行准确分析和评定时，可采用钻探取芯的方法验证；当对嵌岩桩沉渣厚度或桩身质量有疑问时，可使用静载荷试验来验证桩在荷载作用下的可靠性，以此来判定整桩是否可用。

当桩侧摩阻力很大，入岩反射信号不明显时，可有针对性地做一部分高应变法辅助测试，该方法锤击能量大，可较好激发出桩周土阻力的信息和桩身阻抗变化，以检测深部桩身质量；由于高应变动测不需预先在桩身埋置声测管，具有更大的灵活性，但现场数据采集操作比较麻烦。现阶段铁路工程嵌岩桩的高应变法测试较少，有待进一步总结。

需要注意的是，隐蔽工程要坚持预防为主的原则，加强过程控制；施工中除控制好混凝土质量外，还应对成孔质量进行检测。