低應(yīng)變法和聲波透射法在合福鐵路中的應(yīng)用及比較

王 嶺

（安徽中鐵工程技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230023）

1 概述

合福鐵路客運(yùn)專線北接合蚌客運(yùn)專線和京滬高鐵，并通過(guò)它們直達(dá)北京，形成京?？焖勹F路通道，線路全長(zhǎng)806公里，速度目標(biāo)值為350公里/小時(shí)。線路經(jīng)過(guò)地質(zhì)復(fù)雜的丘陵、山區(qū)及巖溶發(fā)育地區(qū)，基樁檢測(cè)難度大。

鐵路基樁完整性檢測(cè)目前常采用的方法有低應(yīng)變反射波法、超聲波透射法，低應(yīng)變法具有檢測(cè)方便、快捷、受地質(zhì)條件影響大等特點(diǎn)，該方法一般用來(lái)對(duì)基樁的質(zhì)量進(jìn)行普查。聲波透射法具有檢測(cè)準(zhǔn)確性高、相對(duì)方便、不受地質(zhì)條件影響等特點(diǎn)，鐵道行業(yè)規(guī)定一般用于樁長(zhǎng)大于40米或樁徑不小于2米的基樁或地質(zhì)復(fù)雜區(qū)采用聲波透射法檢測(cè)。

2 低應(yīng)變反射波法的原理

當(dāng)混凝土樁的物理強(qiáng)度遠(yuǎn)大于樁周土的物理強(qiáng)度時(shí)在樁頂沿垂直方向激發(fā)彈性應(yīng)力波，應(yīng)力波沿樁身傳播，當(dāng)遇到樁底持力層及樁身質(zhì)量缺陷位置上的波阻抗與正常混凝土波阻抗存在差異時(shí)會(huì)當(dāng)部分應(yīng)力波反射，反射。

（1）通過(guò)分析缺陷反射波

a.相位變化、頻率變化、多次反射性可判斷樁基的縮頸、擴(kuò)警、松散、夾泥、離析、斷樁等質(zhì)量缺陷現(xiàn)象。

b.振幅的大小可判斷缺陷的程度。

c.樁身缺陷位置應(yīng)按下式計(jì)算：

其中：x——樁身缺陷至傳感器安裝點(diǎn)的距離（m）；

Δtx——速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時(shí)間差（ms）；

c——受檢樁的樁身波速（m/s），無(wú)法確定時(shí)用cm值替代；

Δf＇——幅頻信號(hào)曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差（HZ）。

（2）樁底反射信號(hào)明確時(shí)可以驗(yàn)證樁長(zhǎng)：在地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)樁型、成樁工藝相同的基樁中，選取不少于5根Ι類樁的樁身波速值計(jì)算其平均值乘以測(cè)得的樁底反射信號(hào)時(shí)間得到樁長(zhǎng)值。

3 聲波透射法檢測(cè)原理

聲波透射法檢測(cè)需預(yù)先在樁身中預(yù)埋幾根聲測(cè)管，檢測(cè)時(shí)一根聲測(cè)管中的發(fā)射換能器到達(dá)設(shè)定位置發(fā)射高頻超聲波信號(hào)，同時(shí)在另一根聲測(cè)管中的接收換能器接收該高頻超聲波信號(hào)，量測(cè)并記錄信號(hào)到達(dá)的時(shí)間和能量及兩換能器的標(biāo)高。連續(xù)不斷同步向上（或向下或往返重復(fù)）移動(dòng)這一對(duì)導(dǎo)管中的兩個(gè)換能器進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，直到完成整根導(dǎo)管范圍的混凝土檢測(cè)，通過(guò)實(shí)測(cè)測(cè)聲波在混凝土介質(zhì)中的傳播時(shí)間、頻率和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的變化對(duì)樁身完整性作出評(píng)價(jià)。

以上兩種方法有各自的適用范圍，筆者在合福鐵路客運(yùn)專線基樁檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行了一些對(duì)比研究。

4 工程實(shí)例

實(shí)例一：合福某特大橋7號(hào)墩,設(shè)計(jì)樁徑1.25米,齡期17天,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)7米,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,地質(zhì)情況：從地表向下依次為強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化泥質(zhì)板巖。整個(gè)基坑波形類似，其中7號(hào)樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)波形如圖2：

初分析此波形認(rèn)為是淺層斷樁引起的低頻震蕩，但由于此樁樁長(zhǎng)7米樁徑1米，長(zhǎng)徑比小于10，達(dá)不到理論上的假設(shè)模型要求的長(zhǎng)徑比大于10，再加上樁周被強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化巖包圍，樁周土與樁身強(qiáng)度差別不大，所以這樣的低應(yīng)變波形未包含反射信號(hào)，屬無(wú)效波形。

再對(duì)此樁進(jìn)行聲波透射法檢測(cè),數(shù)據(jù)如表1(由于篇幅原因，深度每0.5米列出一組數(shù)據(jù))：

表1 聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)聲波透射法數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)此樁混凝土無(wú)異常。由此例可以得出：當(dāng)樁周土為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化巖，強(qiáng)度與樁身強(qiáng)度屬同一數(shù)量級(jí)時(shí)（此時(shí)樁長(zhǎng)不般不長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比經(jīng)常達(dá)不到10）時(shí)，低應(yīng)變反射波法經(jīng)常采集不到有用信號(hào)波形，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采用聲測(cè)波法檢測(cè)。

實(shí)例二：合福某大橋23號(hào)墩,設(shè)計(jì)樁徑1.25米,齡期28天,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)42米,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,地質(zhì)情況：從地表向下依次為粉質(zhì)黏土、粘土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。此樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測(cè)波形如下：

分析發(fā)現(xiàn)淺層有一時(shí)顯的同向反射波形，從波形上來(lái)看應(yīng)為離析、縮頸類缺陷。以此橋的平均波速4300m/s，計(jì)算得缺陷位置為1.8米附近。再對(duì)此樁某斷面進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2：

表2 聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)表

分析聲波透射法數(shù)據(jù)得出此樁在1.8米附近沒(méi)有缺陷.但為什么低應(yīng)變反射波法會(huì)有同向反射呢?后開(kāi)挖驗(yàn)證,此樁在1.8米處有一段約50cm縮頸,鋼筋籠沒(méi)有外露。對(duì)比得出低應(yīng)變法對(duì)樁的淺層缺陷（盲區(qū)以外）較敏感，聲波透射法對(duì)聲測(cè)管以外的區(qū)域沒(méi)有檢測(cè)能力。

實(shí)例三：合福鐵路某大橋45號(hào)墩,設(shè)計(jì)樁徑1.25米,齡期28天,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)27米,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,地質(zhì)情況：從地表向下依次為粉質(zhì)黏土、粉砂土、粘土、強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖。對(duì)此樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測(cè)波形如圖4：

以上波形是典型的完整樁波形，波速4000m/s，從波形上分析沒(méi)有缺陷。再對(duì)此樁某斷面進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3：

表3 聲波透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)表

從聲波透射法數(shù)據(jù)來(lái)分析,此樁有兩個(gè)檢測(cè)剖面在18到18.25米兩個(gè)測(cè)點(diǎn)波速明顯降低。但為什么低應(yīng)變反射波法沒(méi)有缺陷的信號(hào)反射呢?后取芯驗(yàn)證,此樁在18.2米處有一段約35cm混凝土芯樣呈短柱狀，芯樣吻合率不太好。對(duì)比得出聲波透射法在對(duì)較輕的缺陷測(cè)試時(shí)優(yōu)于低應(yīng)變反射波法，且比低應(yīng)變反射波法更準(zhǔn)確、直接，低應(yīng)變反射波法對(duì)處于樁下部缺陷不敏感。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上幾個(gè)實(shí)例可以得出：

（1）低應(yīng)變反射波法檢測(cè)受地質(zhì)條件影響大。在地質(zhì)復(fù)雜情況下，如山區(qū)一般樁身周圍為強(qiáng)度較高的巖石，此時(shí)樁長(zhǎng)一般很短，長(zhǎng)徑比達(dá)不到理論模型要求的大于10，這種情況下低應(yīng)變法常常無(wú)法測(cè)得有用波形。此時(shí)應(yīng)采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)。而《鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB10218-2008）規(guī)定樁長(zhǎng)大于40米或樁徑不小于2米或地質(zhì)復(fù)雜條件下應(yīng)埋設(shè)聲測(cè)管進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)，但有些設(shè)計(jì)單位容易忽視“地質(zhì)復(fù)雜條件下應(yīng)埋設(shè)聲測(cè)管”的規(guī)定，未預(yù)先埋設(shè)聲測(cè)管造成無(wú)法檢測(cè)的后果，只得采用取芯法檢測(cè)。

（2）低應(yīng)變法對(duì)淺層缺陷較為敏感，聲波透射法對(duì)聲測(cè)管外圍缺陷無(wú)法測(cè)出。所以有提法說(shuō)聲波透射法準(zhǔn)確性比低應(yīng)變法高也是有適用范圍的。

（3）低應(yīng)變法對(duì)深度較深的小缺陷無(wú)法測(cè)出，而聲波透射法卻很容易測(cè)出。