低应变法动测判断基桩桩端性状探讨

■李恒华

（福建省第二公路工程有限公司，福州350001）

低应变法动测判断基桩桩端性状探讨

■李恒华

（福建省第二公路工程有限公司，福州350001）

本文对应用低应变法动测判断基桩桩端性状的可能性和可行性作初步探讨，并且应用工程实例作引证。笔者强调，应用低应变法动测判检测灌注桩桩底性状问题有一定难度，但正确使用测试技术下，能测出桩底反射信号的前提下，综合其它检测方法和经验，是能取得较好的应用效果，对控制桩基质量有一定的作用。

低应变法桩端性状阻抗匹配桩底反射

1 引言

随着城市建设高层建筑物和桥梁工程的大量发展，大口径长桩的冲钻孔灌注桩的应用也越来越多，这些桩型多为一桩一柱，其工程成本造价高，同时工程对其成桩质量的要求也严格，除了对桩身结构完整性要求外，对桩端性状有一定要求，因为它直接影响基桩承载力的发挥和建筑物的不均匀沉降。然而桩底虚土或沉渣厚是冲钻孔灌注桩的致命缺陷。冲钻孔工程桩其桩端持力层要求必须进入坚硬岩层，孔底沉渣厚度指标符合≤50mm的规定。

目前，对这类基桩检测方法一般采用低应变法普测，对部分预埋测管的基桩进行声波透射法细测，对检测中发现有可疑的桩再作钻芯法检测或静载试验。那么，对于低应变反射波法动测，是否能提供些桩端性状信息，如桩底定性的虚土或沉渣，持力层软硬情况等。这些信息对工程质量要求来说是非常重要的。

笔者实践，认为只要现场能做好正确测试出每一根桩真实的波形，其实测信号中总会包涵有用的信息。那么，就有可能通过综合分析方法，提取其中有用信息。

众所周知，由于实际桩过大过长，桩周土的复杂性，应力波在桩身传播过程中能造成波能量的衰减，以及桩身砼的阻抗与桩端持力层阻抗的匹配复杂问题，能使得仪器难以测到桩底反射信号。那么，就很难判断桩端的性状问题。但是，有一点不能排除的是，从其物理性质讲，桩底沉渣的介质密度总比桩身砼密度小，其纵波传播速度自然也比桩身砼的纵波传播速度低，这样就有能产生阻抗差异。因此，就可以通过有效的试验，是有可能获得相关的桩底反射信号，也就有可能判断桩端性状问题的可能性。

2 理论机理

2.1 低应变法原理

从所周知，低应变法是基于一维波动理论为基础，是假定桩身为一维弹性直杆件，而且是均匀连续各向同性；桩周土介质也是均匀的，对其桩体作用仅为沿桩身向的阻尼力作用。当桩身顶部受瞬态竖向激振而产生竖向弹性应力波，沿桩身向下传播，当遇到明显波阻抗差异界面时，如桩底虚土或沉渣时，将产生反射波。如图1所示。

图1 原理图

根据波动理论，振速反射系数写为：式中，V1——反射纵波幅值；

V0——入射纵波幅值；

ρ1，ρ2——反射上、下界面介质质量密度；

C1，C2——反射上、下界面介质的纵波速度；

A1，A2——反射上、下界面的截面积；

ρ1C1A1，ρ2C2A2——反射上下界面介质的波阻抗。

由上式可见，当ρ1C1A1＞ρ2C2A2时，即Rv＞0时，则反射波与入射波同相位。这相当于桩底有虚土或沉渣状况；

当ρ1C1A1＜ρ2C2A2时，即Rv＜0时，则反射波与入射波反相位。这相当于桩底扩径，桩端嵌固良好（没有虚土或沉渣）。

2.2 桩底反射波特征

（1）当桩底存在虚土或沉渣时，由于其波阻抗比桩身混凝土的波阻抗低，则振速反射系数为正值，则桩底反射波与桩顶入射波相位相同；反之，当桩底不存在虚土或沉渣时，也就是桩底持力层嵌固良好时，则硬持力层波阻抗比桩身混凝土的波阻抗高，振速反射系数为负值，桩底反射波与桩顶入射波相位相反。因此，可根据反射波的相位判断桩底持力层软硬情况或虚土沉渣的存在。

（2）当桩底存在虚土或沉渣时，其介质密度和纵波传播速度变低，使波的高频成分被吸收，能量衰减，桩底反射信号的视频率明显变低，由于波阻抗降低，振速反射系数增大，反射波幅值随之增大，并且振幅大小与沉渣的密度及厚度有关，沉渣密度低，厚度大，则反射波幅值也大。因此，可根据反射波幅值判定桩底沉渣状况。

（3）由于桩底虚土沉渣的影响，使得应力波在其中传播的有效桩长比实际的施工桩长变短，则使得桩的平均波速偏高，虚土、沉渣越厚，波速偏高越大。在实际应用中应给予注意。因此根据波速可定性判断有效桩长情况。

3 工程实例及分析

3.1 实例1：某住宅楼工程桩

桩基础采用冲（钻）孔灌注桩桩径700～800mm，桩长14.50～28.4m,桩端持力层为中风化花岗岩，砼强度C25。该场地土层：杂填土0～1.8m,粘土0.6～1.0m,游泥5.5～30.1,强风化花岗岩0.4～3.2m,中风化花岗岩揭示6.8m。该场地有两根静载试验情况见表1。

表1 某住宅楼工程桩静载试验结果

25#基桩反射波形曲线及静载试验Q-s曲线，如图2、图3所示。可见，波形规则，桩底反射波有明显正相位，判断桩身为Ⅰ类型，但对于中风化持力层的桩，应该不会出现正相位的桩底反射波。这说明该桩底有沉渣或虚土存在，而静载试验结果极限承载力达不到设计要求4000kN。

图3 25#基桩静载试验Q-s曲线图

122#基桩反射波形曲线及静载试验Q-s曲线，如图4、图5所示。桩底反射波为明显的负相位，桩底无沉渣或虚土，嵌固良好，静载试验能达到设计极限承载力4000kN。

3.2 实例2：某公路A8标段高架桥14#基桩

桩型为钻孔灌注桩，桩径Φ1200mm，桩长为20.06m,砼强度C25,设计持力层为中风化花岗岩。

图2 25#基桩低应变动测波形图

14#基桩低应变动测波形如图6所示。波列干净、波形规则，桩底反射波正相位反射，波幅明显。判断为桩身完整桩Ⅰ类，但是，设计桩端持力层为中风化花岗岩，应属于嵌岩性质的桩。根据理论，其正常波形，桩底反射信号应该是负相位。而现在波形是正相位反射，这显然是桩端嵌固不良，也就是说，桩端有沉渣或虚土较厚所致。

声波透射法测试结果表明，桩底附近声速明显降低，与桩底附近存在虚土或沉渣有关。

钻芯法验证结果：桩身砼芯样从0～19.97m为连续完整，呈长圆柱状，芯样表面光滑平整，骨料分布均匀，砼胶结紧密。但是桩底见到以泥粉细砂石为主的虚土沉渣100mm。钻进在20.07～22.95m,有2.88m厚强风化岩。钻进孔深到22.95～23.04m,才取到90mm的中风化花岗岩芯样。钻芯法也有力验证了低应变法判断该基桩桩底虚土沉渣偏厚的论断是正确。

3.3 实例3：某公路交叉口天桥1#基桩

该基桩桩型也是钻孔桩，桩径Φ1000㎜，桩长14.12m，桩端持力层为中风化花岗岩。

1#基桩低应变动测波形如图7所示。从波形可见，该桩桩身质量完好，但在11m附近开始有阻抗变化，正相位波形反射，桩底反射波幅较大，综合分析认为桩底有较厚沉渣，嵌固不良，建议取芯验证。

声波透射检测结果显示，在11.50～12.40m深处有声速降低。由于声测管埋设深度限制，没有能测到桩底位置情况。

图4 122#基桩低应变动测波形图

图5 122#基桩静载试验Q-s曲线图

图6 14#基桩低应变动测波形图

图7 1#基桩低应变动测波形图

钻芯法检测结果：桩底沉渣厚0.9m，证实低应变动测判断正确。

4 结论

钻孔灌注桩多是大直径长桩，而且多属嵌岩桩类型，持力层多为中风化岩层，工程应用上多一柱一桩。对于该类型桩检测，桩身结构完整性评价，也应包括桩端性状评价，也就桩底沉渣或桩端持力层嵌固情况评价是很重要的。

目前对灌注桩采用低应变动测普测，声波透射法配合部分桩细测，采用钻芯法核验桩端性状，静载荷试验检验承载力是合理的检测程序，能取得较好检测的效果。应用低应变法动测判检测灌注桩桩底性状问题有一定难度，但正确使用测试技术下，能测出桩底反射信号的前提下，综合其它检测方法和经验，是能取得较好的应用效果，对控制桩基质量有一定的作用。

[1]刘汉龙.应用低应变动测检测桩长问题探讨.土动力学与岩土地震工程，中国建筑工业出版社.

[2]应用低应变动测判断桩端性状探讨.2004年全国基桩检测技术研讨会暨第13届PDI用户会论文集.