基桩低应变反射波法检测中浅部缺陷的判定及工程实例

原力智, 徐 磊, 刘 军

(湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

随着近些年施工桩型及工艺的多样化、建筑场地地质条件的日益复杂及基桩施工的高度隐蔽性等因素,对检测人员素质及能力提出了更高的要求,只有提高基桩检测工作的质量和判定结果的可靠性,才能保证基桩工程的质量与安全,从而为后期的上部结构安全奠定坚实的基础。

众所周知,基桩桩身段浅部如果存在严重缺陷,会造成结构基础隐患,当严重缺陷部位位于桩身浅部时,将直接影响桩顶应力向下传递,单桩承载力将大打折扣,其破坏后果不可想象。然而,在基桩低应变反射波法检测实践中,如何较为准确地分析判定基桩浅部是否存在严重缺陷,是检测工作者常常面对的问题。本文就此结合工程实际经验对其低应变反射波法实测曲线特征进行探讨和分析总结。

1 低应变反射波法原理

低应变反射波法是以一维波动理论为基础。假定桩身为一维弹性均匀杆件,假设一维平面应力波沿桩身向下传播,当遇到桩身存在明显的波阻抗差异界面时,将产生反射和透射波。根据应力波理论,桩身纵波可用下面的一维波动方程表示:

(1)

根据应力波理论,应力波在桩身传播过程中,波阻抗发生变化的界面处,纵波速度如下:

(2)

由上式可以看出,反射波法反映的也仅仅是桩身波阻抗相对变化的位置和程度,也就是相对的桩身结构完整性,对缺陷的程度和性质也是只做推断分析,特别是桩身浅部位置。不清楚这一点,在实践应用中就会容易造成错判、漏判的结论。有经验的检测人员还需运用其他多种检测手段作更进一步检测、验证等(如开挖、钻芯等),汇总多方面信息及资料后综合判定。

2 工程实例

为了更好地说明基桩存在浅部严重缺陷的时域曲线特征,本文先列出以下三条典型的完整桩时域曲线(图1-图3),基本特征满足式(1)。

图1 完整桩下预制管桩实测曲线图Fig.1 Measured curve of prefabricated pipe pile under complete pile注：管桩外径500 mm,桩长21 m,桩身砼强度等级C80.测试时手锤激发,耦合剂采用橡皮泥。

下面介绍浅部存在严重缺陷的和浅部扩径引起的波形异常桩，实测曲线基本特征满足式(2)，并附开挖验证照片。

在图4中,可以看出预制管桩实测曲线形态为正弦振荡曲线,在首峰下降处出现一明显畸变拐点,疑似该桩测点以下1 m左右范围内存在明显缺陷。

图2 完整桩下摩擦桩实测曲线图Fig.2 Measured curve of friction file under complete pile注：桩径800 mm,桩长21 m,桩身砼强度等级C40,测试时力棒激发,耦合剂采用橡皮泥。

图3 完整桩下嵌岩桩实测曲线图Fig.3 Measured curve of socketed pile under complete pile注：桩径1 000 mm,桩长22 m,桩身砼强度等级C35,测试时力棒激发,耦合剂采用橡皮泥。

图4 浅部缺陷下预制管桩实测曲线图Fig.4 Measured curve of prefabricated pile under shallow defect注：管外径500 mm,桩长25 m,桩身砼强度等级C80.测试时手锤激发,耦合剂采用橡皮泥。

开挖情况证明该桩距桩顶1.1 m左右存在多条裂缝,间距20～30 cm,但均未贯穿(图5)。

图5 开挖深度1.5 m，验证照片Fig.5 Verifying photo of excavation depth of 1.5 meters

在图6中,可以看出嵌岩桩实测曲线形态在2/LC时刻前出现严重缺陷反射波和周期性反射波,无桩底反射波。疑似该桩测点以下2.8 m左右范围内存在明显缺陷。

图6 浅部缺陷下嵌岩桩实测曲线图Fig.6 Measured curve of socketed pile under shallow defect注：桩径800 mm,桩长29 m,桩身砼强度等级C40,测试时力棒激发,耦合剂采用橡皮泥。

开挖情况证明该桩距桩顶2.7 m处断裂,为严重桩身缺陷(图7)。

图7 开挖深度3 m，验证照片Fig.7 Verifying photo of excavation depth of 3 meters

在图8中,可以看出嵌岩桩实测曲线形态为距桩顶1.9 m左右有一异常同向反射波,后续波形正弦振荡,疑似为明显缩径类缺陷。

图8 浅部缺陷下嵌岩桩实测曲线图Fig.8 Measured curve of socketed pile under shallow defect注：桩径1 000 mm,桩长22 m,桩身砼强度等级C40,测试时力棒激发,耦合剂采用橡皮泥。

图9显示嵌岩桩身完整情况,将扩径部位截除后再予检测,检测波形完好,判定为Ⅰ类桩。证明原检测波形异常部位是由该部位桩身不规则扩径所导致的。

图9 开挖深度2 m，验证照片Fig.9 Verifying photo of excavation depth of 2 meters

在图10中,可以看出嵌岩桩实测曲线形态为距桩顶0.8 m左右负向首波异常,后续波形正弦振荡,疑似为桩顶浅部明显离析或存在空洞类缺陷。

图10 浅部缺陷下嵌岩桩实测曲线图Fig.10 Measured curve of socketed pile under shallow defect注：桩径1 000 mm,桩长19 m,桩身砼强度等级C40,测试时力棒激发,耦合剂采用橡皮泥。

开挖情况证明该桩距桩顶1 m处桩身存在大肚现象(扩径),为探明扩径部位以下桩身完整情况,扩径部位截除后再予检测,检测波形完好,判定为Ⅰ类桩(图11)。证明原检测波形异常部位是由该部位桩身混凝土大肚(扩径)所导致的。

3 综合分析总结

根据大量工程桩的实测以及开挖验证结果,通过实例分析,基桩浅部缺陷低应变曲线主要有如下特征:

(1) 检测曲线失真,呈现不规则振荡衰减,即在桩顶附近存在缺陷时,激振时,桩顶与传感器同时振动。

图11 开挖深度1 m，验证照片Fig.11 Verifying photo of excavation depth of 1 meter

(2) 曲线基本形态为长周期的正弦振荡曲线,总体呈指数规律衰减,形成大振幅的低频宽幅大摆动波形[1]。

(3) 首波后往往叠加有浅部缺陷的多次反射波,小锤、高脉冲时很容易体现出来,重锤、低脉冲时就不明显[2]。距桩顶极浅部位缺陷时,曲线波形的同一性较差,即不同测点采取得曲线一致性很差。

(4) 当缺陷为全截面断裂时,检测曲线往往表现为正弦振荡信号,未全截面断裂时,振荡曲线上往往叠加有缺陷截面的反射信号。

4 结束语

工程桩浅部缺陷(距桩顶1.0～2.0 m)在判定上与一般的缺陷判别相似,区别在于缺陷部位距桩顶较近,导致缺陷信号多次反射并产生叠加效应,以至于很难发现桩底信号,容易造成误判。对此,检测人员应从多方面入手,结合地质条件、施工工艺、施工参数,必要时采取开挖、钻心等多种手段交叉印证,只有这样才能客观地判断浅部缺陷性质和位置。

参考文献：

[1] 中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范：JGJ106-2014[S].北京：中国建筑工业出版社,2014.

[2] 陈凡,徐天平,陈久照.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.