基礎樁低應變反射波法動測中的波速控制

陳 銑,陳 挺

(1.溫州市鹿城區(qū)西向排洪工程建設指揮部,浙江 溫州 325007;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 基礎樁反射波法動測中波速的特點

在工程樁的質量檢測中,目前低應變反射波法動測用得非常普遍。檢測時,用錘在樁頂施加豎向激振,擊發(fā)向下傳播的彈性波。當樁身存在斷樁、離析、縮頸等缺陷,或擴頸及彈性波到達樁底時,由于存在波阻抗差異,引起彈性波反射,被設置于樁頂?shù)乃俣?(或加速度)傳感器接收,通過動測儀器便可獲得彈性波的速度時域曲線。在曲線中能見到樁頂激振信號t0、樁底反射時間td,及由縮頸、擴頸、離析、斷樁造成的反射波信號t1、t2、…tX

分析時,依據(jù)反射波的相位、幅度及波形特征,評判缺陷的性質(擴頸、縮頸或離析),評估缺陷程度。

依據(jù)樁頂、樁底反射時間差△T(=td-t0)及樁長L,求得彈性波在樁中的傳播速度C,C=2L/△T。

樁體彈性波速C是一個重要的數(shù)據(jù),它常常被用于:

(1)推算缺陷位置。當異常反射時間為△tX(=tX-t0),則缺陷距樁頂?shù)木嚯xx=C△tX/2;

(2)粗略評估樁體混凝土質量。彈性波在樁中傳播時,波速C、混凝土彈性模量E、及材料密度ρ之間存在如下關系:C2=E/ρ。由公式可見:波速 C與彈性模量E成正比,即樁的剛度越大,樁身混凝土強度越高,所測得的波速越高。

但是,樁體波速C與混凝土強度等級間不是單一的正相關關系,C還與諸多因素有關,如:混凝土粗骨料品種、粒徑、配合比、含水率、養(yǎng)護方式、成樁工藝等等,甚至還與動測激振的彈性波頻率 (波長)有關。下表為根據(jù)有關資料總結的 《一維縱波波速與混凝土強度等級間的對應關系》(表1)。表中可見:同一強度等級的混凝土波速高低可相差達20%或以上,而且不同混凝土強度等級之間存在波速交叉的現(xiàn)象。因此,不能簡單地依據(jù)波速去評定混凝土強度等級,也不能簡單地依據(jù)混凝土強度設計等級去核對樁長。

低應變動測對樁體混凝土質量的控制,目前通常的方法是:按照工程監(jiān)理或施工單位提供的施工樁長,及動測得到的樁底反射時間,獲得樁體波速,依據(jù)設計強度等級及 “對應關系”中波速范圍,看動測波速是否與混凝土設計強度等級相匹配來評估。顯然這是粗略的。

由于波速的這一特點,提醒在檢測中對于波速問題應慎重對待,不應簡單套用而引起誤判,也不應忽視波速的高低。現(xiàn)從下面2個涉及到波速控制的案例加以分析討論。

2 工程案例

2.1 案例1

某工程河道堤岸基礎樁,置于淤泥地基中。設計樁徑￠600 mm,設計樁長20 m,為摩擦樁。設計樁體混凝土強度等級C20,選用商品混凝土灌注成樁?，F(xiàn)場動測采用高阻尼速度傳感器,所得速度時域曲線中樁底反射明顯,(見例圖1),如果從樁底反射前的波形看,大部分樁沒有出現(xiàn)較明顯的缺陷反射,可評為“完整樁”,但從波速看,不得不提醒我們須慎重對待:在所測的114根樁中,波速2.8～3.5 km/s為5根,占動測樁數(shù)的4.4%。3.6～3.8 km/s為22根,占19.3%;3.9～4.4 km/s為87根,占76.3%。對照上表可見C20混凝土的特征波速為3.2km/s,波動范圍一般應在2.8～3.5 km/s之間。按實測波速來看,占76.3%的動測樁的混凝土強度等級在C35以上,波速偏高的情況相當突出。

分析造成波速偏高有以下幾種可能原因:

(1)基礎樁使用的商品混凝土,其中添加了某種成份,致使波速出現(xiàn)異常。為此向提供商品混凝土廠家了解混凝土的級配、骨料及外加劑品種等情況,沒有發(fā)現(xiàn)明顯相異之處。

(2)樁體混凝土實際強度很高。同施工單位提供的樁體混凝土試塊(150 mm×150 mm×150 mm)抗壓強度資料看,實際樁體混凝土強度等級比設計強度等級高,但數(shù)值波動較大。不能完全解決疑慮。

(3)實際樁長不到設計要求值(20 m)。在波速計算公式C=2L/△T中,△T是實際樁長的彈性波傳播時間,當計算時采用的樁長L大于實際樁長時,所得波速就會出現(xiàn)偏高情況。

對此,向施工方了解成樁情況及地質情況,從反映的情況看,工程場址地基士質很差,成孔速度快。還直接在工地檢查進行鉆孔施工的基樁成孔深度。從了解的情況看,沒有發(fā)現(xiàn)波速偏高的確切原因。該工程基礎樁為摩擦樁型,樁的長度直接關系到樁的承載力大小,是關系到工程安全的問題,為此最后只能決定進行鉆孔取芯檢查。

鉆孔取芯檢查選擇2根動測樁進行,檢查結果顯示造成工程樁波速偏高的主要原因是:目前工程中大量使用的混凝土設計等級為C25,有時甚至更高。本工地使用的混凝土設計強度等級相對較低 (C20),每次使用的量又不多,容易出現(xiàn)廠家嫌麻煩,不特地拌制的情況,致使成樁所使用的商品混凝土,實際混凝土強度等級超過C20,造成動測波速偏高狀況。同時,鉆芯顯示實際樁長在1根檢測樁中也存在比設計長度偏短的情況。

這一案例提示,不能由于影響波速大小因素眾多而漠視這一數(shù)值的控制意義,對于明顯的異常須予以重視,查出偏高原因。

2.2 案例2

某橋梁工程基礎樁。布置樁24根。設計樁徑￠1200 mm,設計樁長38 m(橋墩)、28 m(橋臺)2種,設計樁體混凝土強度等級C25,樁端持力層為砂礫石,采用自拌混凝土澆注成樁。

用低應變反射波法動測了其中12根樁。所得波速時域曲線相似性尚好,例圖2是橋墩樁中的一根代表性波形。該樁名義樁長38.5 m,在時域曲線中 t=20.3 ms處出現(xiàn)同向反射,如視為樁底反射,則波速為3.79 km/s,符合C25混凝土強度等級的波速波動范圍。在樁頂至此反射間,沒有出現(xiàn)其它明顯同向反射,此處確實像樁底反射。

由于該橋建成后來往車輛頻繁,指揮部決定進行鉆孔取芯檢查。當鉆機鉆深5～6 m深后,芯樣混凝土發(fā)生破碎,成塊芯樣取不上來。起初以為鉆機陳舊所造成,在更換了鉆機隊伍后,同樣的情況依舊發(fā)生。由于芯樣破碎,一般的鉆機鉆具每次提鉆時取上來只有少量芯樣,大量的滑落在孔中,因此鉆進速度很慢,鉆芯工作被中途停止。

從動測所得波速值 (3.79 km/s)看,混凝土強度等級已在C25左右,鉆芯芯樣不應破碎。從動測波速時域曲線特征看,38 m以上未見異樣反射,樁體應是連續(xù)的。而鉆芯芯樣破碎,反映的是實際強度低,或存在離析情況。從5 m以上獲得的芯樣看,骨料選用的是人工石,但明顯粗骨料多,細骨料很少,而且使用的是細砂,級配明顯存在問題,也是強度低的一個佐證。

這一案例提醒,單純地依據(jù)波形曲線求取波速,并以此來作出基礎樁完整結論有時是不可靠的。從波速公式C=2L/△T可以看出:當實際樁長不到設計樁長,同時混凝土質量低于設計要求時,計算所得的波速可以在正常范圍內,從而造成誤判。因此對于重要的工程在進行低應變動測普查的同時,再進行鉆孔取芯抽檢是必要的。

圖1 某河道基礎樁波速圖

圖2 某橋梁基礎樁波速圖

3 結 語

(1)低應變反射波法動測中,實測波速值是樁體完整性檢測中常用的數(shù)據(jù),由于影響波速的因素眾多,應用此數(shù)據(jù)計算判斷須避免簡單套用,宜結合工程實際情況進行。

(2)對于波速明顯異常的基礎樁,不能只根據(jù)樁底反射前的波形特征進行樁體完整性判別。當找不出造成波速異常的確切原因時,須進行鉆孔取芯檢查,尤其是對于波速偏高的摩擦樁更需注意。

(3)對于重要工程樁或工程的重要部位,在進行低應變動測普查的同時,還需進行鉆孔取芯法抽檢。

[1]羅騏先.樁基工程檢測手冊 [S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]建設部.建筑基樁檢測技術規(guī)范 [S].北京:建筑工業(yè)出版社,2003.

[3]羅福牛.建筑工程質量缺陷事故分析及處理[M].武漢:武漢理工大學出版社,1999.