低应变法检测嵌岩灌注桩桩端性状的实例分析

张雄水

(1.福建省建筑科学研究院 福建福州 350025;2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

引 言

嵌岩灌注桩以其经济性、高效性广泛地应用于工程建设中。国内对于其承载特性及荷载传递机制都已有所研究，特别是对于嵌岩段侧阻力、极限端阻力发挥机理和嵌岩桩的破坏特性。对于高承载力的嵌岩桩，往往不允许任何一根桩承载力失效。在外荷载作用下，嵌岩桩承担的大部分荷载由桩端传递给下覆基岩，其余部分由桩侧分担，并传递给桩周围岩体[1～4]。在桩身强度满足要求的情况下，桩端阻力的发挥取决于桩端性状，包括桩端混凝土质量、桩端沉渣厚度及桩端持力层性状，显然桩端性状对于高承载力嵌岩桩起着至关重要的作用，如何高效准确辨别桩端性状成了桩基检测的首要任务。

在实际的嵌岩灌注桩低应变检测工程中，应力波在传递至桩端的过程中，在阻抗或桩周土阻力变化界面将产生多次反射及透射，反射波的相互叠加使桩端附近位置的实测波形变得复杂，难以分析判断。单纯从桩端同向或反向反射来判断嵌岩桩桩端性状可能造成误判。规范[5]中对于嵌岩桩，桩底时域反射信号为单一反射波且与锤击脉冲信号同向时，应采取钻芯法、静载试验或高应变法核验桩端嵌岩情况。以下通过对多个嵌岩灌注桩低应变检测进行实例分析，根据不同曲线性状，分别对低应变法判断的嵌岩桩桩端性状进行核验，为正确评价桩基质量提供实例补充。

1 低应变法的检测原理分析

低应变反射波法检测是以一维波动方程为理论基础。把桩当为连续均质的弹性杆，研究桩顶在动态任用下，弹性杆的纵向波动，以一维波动理论为基础的桩土体系动态响应。

在桩顶施加激振力后，产生的应力波沿桩身以波速C向下传播，应力波通过桩阻抗Z(Z=ρCA，ρ为桩的质量密度，C为波在桩身内的传播速度，A为桩的横截面积)变化时，一部分应力波产生反射向上传播，另一部分应力波产生透射向下传播。Z1，Z2表示上下部分桩的波阻抗，V为质点的运动速度，脚码I、R、T表示入射、反射、透射。

在桩端混凝土与桩端的界面上:

(1)当Z1＜Z2时，说明波阻抗变大，反射波与入射波反向。在嵌岩桩低应变的曲线中，反映为桩端位置反向反射明显，表明桩端嵌入良好的基岩中。

(2)当Z1=Z2时，入射波完全透射，无反射波。在嵌岩桩低应变的曲线中，反映为无桩底反射。

(3)当Z1＞Z2时，说明波阻抗变大，反射波与入射波反向。在嵌岩桩低应变的曲线中，反映为桩端位置同向反射明显，表明桩端嵌岩性状较差。

2 工程实例及分析

2.1 实例1

福州某商品房小区2#楼，框剪结构，基础形式采用冲(钻)孔灌注桩，设计要求桩端持力层为中风化花岗岩。桩身砼强度为 C35，场地土层简况自上而下为:①中细砂，层厚约 9.5m;②淤泥夹砂，层厚约4.3m;③残积砂质粘性土，层厚约2.6 m;④强风化花岗岩，层厚约5.6 m;⑤中风化花岗岩，岩石单轴饱和抗压强度平均值91.34 MPa。

对39#桩进行低应变检测，实测曲线如(图1)，直观地从实测曲线上可以看出L/C(约10m附近)有类似扩径的反射，2L/C位置附近同向反射明显，幅值一般。文献[5]提出的桩长L/2处阻抗增大会引起的二次反射的叠加而使得桩端位置反射波正向幅值变得很大。考虑过二次反射的叠加，判断桩端嵌岩性状尚可。对该桩进行钻芯法试验核验，试验结果见(图2)表明桩底无沉渣，持力层为中风化岩，符合设计要求。

图1 39#桩低应变实测曲线

经比较，该桩附近还有不少桩的实测曲线都有出现类似性状，而106#桩桩端反射最为明显，实测曲线如(图3)。

图2 39#桩钻芯法芯样照片

图3 106#桩低应变实测曲线

可以看出L/C(约10m附近)有类似阻抗增大的反射，2L/C位置附近同向反射明显，但同向反射的脉冲较宽且幅值较高。判断即使考虑过二次反射的叠加，桩端性状也有可能存在嵌岩不良的情况。建议进行钻芯法试验，试验结果表明在桩端位置存在厚度为38cm的沉渣，桩端持力层为中风化岩，见(图4)。显然桩端脉冲宽且幅值较高的反射，是由二次反射的叠加和桩端过厚的沉渣共同影响造成的。

图4 106#桩钻芯法芯样照片

对91#桩进行低应变法检测，根据该场地低应变法检测及与钻芯法试验的比对，该工程在同样的砼强度条件下，桩身混凝土的波速在3700～3800m/s范围内。根据设定的波速及建设方提供的桩长进行测试，实测曲线见(图5-a)，从实测曲线可以看出在设定的波速条件下，2L/C位置附近同向反射明显，单从曲线可认为桩端嵌岩情况不良，但在2L/C位置后有一类似入岩的反射。与其他桩进行比对笔者认为后一反射为桩端入岩反射，在确认过施工桩长后调整了波速，见(图5-b)，调整后波速为3000m/s比场地的平均波速3700m/s，低了18.9%。初步判断可能由于桩身混凝土质量较差，导致了平均波速的下降。

图5 91#桩低应变实测曲线

对91#桩进行钻芯法核验，见(图6)，试验表明:桩顶下0.0～1.5m，14.0～17.0m，22.0～24.0m 均存在不同程度的混凝土离析及较连续沟槽，而在桩端附近混凝土离析更为严重28.2～29.0m段松散，仅见粗骨料，桩端持力层为中风化岩。可见桩身几段不同位置混凝土的离析，对应力波在桩身的传播产生了影响，使整桩的平均波速比正常桩下降很多。在各离析段还是有部分应力波透射，沿桩身传播达到桩底，而底部的混凝土离析段，使得桩端与持力层的阻抗变化差异加大，使得桩底反向反射较明显。

图6 91#桩钻芯法芯样照片

2.2 实例2

南平市某枢纽工程，框架结构，基础形式采用冲(钻)孔灌注桩，设计要求桩端持力层为中风化石英云母片岩，桩身砼强度为 C35，场地土层简况自上而下为:①素填土，层厚约为0.50m～10.60m;②粉质粘土，层厚0.60～3.40m;③云母片岩残积粘性土，层厚1.70～9.10m;④土状强风化石英云母片岩，层厚4.40～22.10m;⑤碎块状强风化石英云母片岩，0.70～16.0m;⑥中风化石英云母片岩。

对15#桩进行低应变法检测，见(图7)，曲线显示在2L/C位置附近同向反射明显，但是其后入岩反向反射比较明显。初步判断是由于沉渣过厚导致的。

图7 15#桩低应变实测曲线

对15#桩进行钻芯法核验，见(图8)，结果表明桩端混凝土与岩层紧密相连，桩端无沉渣。但交接段岩体裂隙较发育，完整程度为破碎，抓取岩样时已散成小碎块，无法进行岩样的抗压强度试验，该段长度约0.7m，其下为中风化岩。当持力层较破碎时，破碎界面的岩层阻抗比混凝土阻抗低，使得桩底同向反射明显。可见单纯从曲线上很难准确的判断出桩端的嵌岩性状。

图8 15#桩钻芯法桩端位置照片

对26#桩进行低应变法检测，实测曲线见(图9)，桩端位置同向反射较明显，且在桩端之前有一幅值相对较小的同向反射，在2L/C位置之后的入岩反向反射一般。判断即使考虑桩身阻抗渐变产生的二次反射叠加，桩端可能存在嵌岩不良的情况。

图9 26#桩低应变实测曲线

对26#桩进行钻芯法核验，见(图10)，由于沉渣较厚未能全部抓取，根据钻机的进尺判断沉渣约为50cm，其下持力层为中风化岩。可见对于桩端呈现“双峰”状的同向反射应给予足够重视，在难以判定桩端性状时应采用其他方法进行进一步的核验。

图10 26#桩钻芯法桩端位置照片

3 结语

1)桩身截面变化，土阻力变化、混凝土强度变化、持力层破碎程度及沉渣厚度大小等因素都可能使低应变曲线上桩端的应力波反射复杂化。

2)采用低应变法对嵌岩桩桩端性状进行检测时，当曲线出现信号较复杂时，可根据施工及地质情况，将同一场地、同一桩型的检测结果进行综合比较，找出规律性，针对有疑问的桩，选出典型曲线桩，根据工程的实际情况选择合适的验证方法进行核验，以避免误判或漏判。

3)低应变法可作为嵌岩桩桩端性状检测的普查手段，而进行综合评价则需辅以其他检测手段。

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[6]黄阳，黄 阳，施 峰，林清意，曾文.山区地质嵌岩灌注桩桩端性状的检测[J].岩土工程学报，2013年10月，第35卷增刊2:1220-1223.