探讨低应变反射波法在桩基工程检测中的局限性

2016-01-28李光旭

黑龙江交通科技 2015年8期

关键词：桩头波阻抗局限性

李光旭

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)

探讨低应变反射波法在桩基工程检测中的局限性

李光旭

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)

摘要：低应变反射波法具有其固有的局限性，结合低应变反射波法原理和实际工程案例，探讨低应变反射波法在桩基桩身完整性检测中的局限性。

关键词：低应变反射波法；地层；桩头；桩身截面

1检测原理

假定基桩为一维线弹性杆，通过在桩顶施加激振信号产生应力波，应力波从桩顶向下传播。桩长度为l，横截面积为A，桩身材料密度为ρ，弹性波速为c，质点的运动速度为V，桩身截面广义波阻抗为Z=ρcA。桩身中波的反射与透射如图1所示。

图1　基桩低应变法检测反射波走时示意图

设在桩身某缺陷处存在突变界面i，参数由Ai、ρi、ci、Zi变为Ai+1、ρi+1、ci+1、Zi+1。入射波为F1，对应波速为V1；反射波为FR，对应波速为VR；透射波为FT，对应波速为VT。I、R、T分别表示入射波、反射波和透射波，Zi、Zi+1分别为反射界面上下桩身的广义波阻抗。

在突变界面上要求质点运动速度VI、VR、VT满足连续条件，应力波满足平衡条件以及根据波动方程理论，有下列关系：

VI+VR=VT

(1)

FI+FR=FT

(2)

FT-FI=Z1·(VI-VT)

(3)

FT=Zi+1·VT

(4)

定义广义波阻抗比αi=Zi+1/Zi，反射系数，透射系数γR=(1-αi)/(1+αi)。由式(1)～式(4)可得

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，如果在桩顶要接收到反射波，必须满足。对于完整桩，桩身范围内波阻抗无差异，γR=0，所接收到的反射波基本上是桩底反射波信号；对于缺陷桩，即桩身范围内存在波阻抗差异，反射系数γR值在0～±1范围内变化取值。因此就可以根据反射系数的正负来判断桩身缺陷的性质。

当γR>0时，反射波与入射波同相位，若ρici=ρi+1ci+1、Ai+1ρi+1ci+1Ai+1，即桩身截面无变化，应力波由高强度材料向低强度材料传播，类似于桩身断裂、离析、夹泥或摩擦桩桩底。

当γR<0时，反射波与入射波反相位，若ρici=ρi+1ci+1、Ai+1>Ai，即桩身材料强度不变，应力波由小截面向增大的截面传播，类似于扩径桩的情况；若Ai+1=Ai、ρici<ρi+1ci+1即桩身截面无变化，应力波由低强度材料向高强度材料传播，类似于嵌岩桩桩底。

2局限性分析

在实测工作中，由于施工因素、地质因素、测试技术等原因，实测曲线比理论曲线要复杂得多，导致接收信号干扰严重，波形复杂，难以确定桩身完整性类别。在激振信号合理的前提下，目前低应变反射波法实测中仍会受到地层干扰、桩头干扰和桩身截面干扰等，导致无法判断桩端反射波或缺陷反射波，限制了低应变反射法在桩基检测中的应用。

3实例解析

3.1　地层影响

当应力波沿桩身向下传播时，在不同阻抗的地层分界面也会产生反射，叠加在接收信号中，尤其是当由高阻抗地层向低阻抗地层传播时，会产生类似桩身缺陷的同向反射波信号，严重影响对桩身完整性的正确判断。如草地坡渡槽的18-1号桩，在距桩顶7.1m位置有一明显的同向反射(见图2)，推测该桩存在较严重的离析，初判该桩为Ⅲ类桩。后经钻芯法验证检测，钻取出的混凝土芯样连续完整，该桩桩身完整，判为Ⅰ类桩。

查阅施工记录和地质资料，该桩7.1m左右上方为中风化灰岩层，下处为中风化泥岩层，波阻抗差异大，故判定图1中的同向反射是灰岩泥岩分界面造成的。

图2　18-1号桩低应变时程曲线

3.2　桩头影响

在实测过程中，经常会遇到试桩桩头会高出地面，有的甚至高出1～2m。当应力波在桩头激发后沿桩身向下传播，在地面处会形成一波阻抗分界面而产生反射，到桩顶面再次产生反射，导致接收的波形为一震荡信号，无法判断桩身完整性。将桩头凿至地面处再进行检测，恢复正常。由此可见，桩头高于地面时对低应变反射波法影响很大，需将桩头凿至于地面平齐再进行检测。

3.3　桩身截面的影响

在水系发育区域和岩溶发育区域，机械冲击成孔桩在成孔时经常会发生塌孔，在浇灌混凝土时会发生超灌现象，导致成桩后桩身截面多变或突变。在进行低应变反射波法检测时，接收波形复杂多变，无法判断桩身完整性。如麻杆寨渡槽位于农田区域，水系发育，淤泥层和泥夹石层厚度达8～10m，成桩方式为机械成孔灌注桩。在检测过程中发现大量桩的反射波信号杂乱。如46-1号和47-1号桩，时程曲线可见多处异常同向反射(图3和图4)，后经钻芯法验证检测，桩身均完整。查阅该工地施工日志和地质资料，大批桩均存在塌孔和超灌现象，桩身已不符合一维弹性杆理论模型，低应变法无法适应该工地的桩身完整性检测，需变换桩基检测方法。