淺析缺陷樁檢測(cè)曲線的反射特征

閆洪濤，胡 博，劉國超，穆 晶，杜寶龍

(1.天津市勘察院 天津 300191；2.中鐵六局天津鐵建公司 天津 300100)

0 引 言

太原至中衛(wèi)(銀川)鐵路簡稱太中銀鐵路，沿線山高谷險(xiǎn)、溝壑林立，地質(zhì)情況十分復(fù)雜，樁基礎(chǔ)在橋梁、路基等工程中被大量采用。低應(yīng)變法測(cè)樁以其簡便快捷的優(yōu)勢(shì)，在該線樁基檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。

影響低應(yīng)變測(cè)試信號(hào)的原因有很多，在太中銀鐵路的大量樁基礎(chǔ)中，通過檢測(cè)曲線分析幾種缺陷樁檢測(cè)曲線的反射特征，解釋了曲線異常的原因，闡述了針對(duì)不同異常檢測(cè)曲線應(yīng)采用的不同處理方法。

本次檢測(cè)投入了兩套低應(yīng)變法檢測(cè)儀器，其相應(yīng)信息如表1所示：

表1 基樁檢測(cè)設(shè)備一覽表Tab.1 List of foundation pile testing equipment

1 低應(yīng)變反射波法測(cè)樁原理

檢測(cè)方法采用低應(yīng)變反射波法，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程基樁無損檢測(cè)規(guī)程》(TB 10218—1999)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示：

表2 基樁質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表Tab.2 Evaluation criterion for foundation pile quality

2 低應(yīng)變反射波法檢測(cè)原理

低應(yīng)變反射波法假定樁為一維彈性桿件。

如圖 1所示，在樁頂施加軸向沖擊力，激發(fā)出沿樁身向下傳播的應(yīng)力波，應(yīng)力波的傳播滿足波動(dòng)方程：

式中，c2=E/ρ，c表示沿樁身傳播的應(yīng)力波速度，E表示楊氏模量，ρ表示材料的質(zhì)量密度。

圖1 低應(yīng)變反射波法檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the detection by low strain reflected wave method

當(dāng)樁身在某一位置的截面尺寸或密實(shí)度發(fā)生變化時(shí)，該界面上、下的波阻抗發(fā)生變化，應(yīng)力波將產(chǎn)生反射和透射，其反射系數(shù)為：

式中，Z＝ρ·C·Α，Α表示樁截面尺寸。

通過安裝在樁頂?shù)母哽`敏度傳感器接收反射波信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析后，根據(jù)檢測(cè)曲線的反射特征，分析樁身存在缺陷的性質(zhì)，評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量。

根據(jù)樁身應(yīng)力波平均速度V和樁頭到缺陷界面的雙程走時(shí)t，按下式計(jì)算缺陷的深度H：

3 工程實(shí)例分析

3.1 完整樁檢測(cè)曲線的反射特征

為了說明基樁存在缺陷時(shí)的曲線特征，先給出圖 2的完整樁檢測(cè)曲線。該曲線有初至波和樁底反射兩個(gè)信號(hào)，其余部分沒有反射信息。

圖2 完整樁檢測(cè)曲線Fig.2 Detection curve of an integrate pile

3.2 淺部缺陷樁檢測(cè)曲線的反射特征

圖 3為太中銀客運(yùn)專線校場坪橋的基樁檢測(cè)曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長40,m，直徑1.5,m。

圖3(a)曲線前部出現(xiàn)低頻振蕩，樁底信號(hào)被掩蓋，這種波形反映了在樁身淺部存在嚴(yán)重縮徑或離析缺陷。這是因?yàn)樵跇渡頊\部存在缺陷時(shí)，檢測(cè)中仍然按 40,m樁長設(shè)定采樣間隔為 80,μs，過大的采樣間隔造成淺部高頻信息的丟失。在該曲線中，4,m左右的第 1個(gè)波谷幅值接近前面波峰的幅值，分析在該位置可能存在擴(kuò)徑，淺部缺陷的深度應(yīng)不超過4,m。

將樁長設(shè)定為4,m，采樣率為10,μs，在樁頂不同位置進(jìn)行采樣，得到圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)3條曲線，在這3條曲線中，揭示了樁身淺部 1,m左右存在的縮徑缺陷和 4,m處存在的擴(kuò)徑缺陷。

圖3 淺部缺陷樁檢測(cè)曲線Fig.3 Detection curves of a defective pile at shallow part

3.3 斷樁檢測(cè)曲線的反射特征

圖 4為太中銀某鐵路橋的基樁檢測(cè)曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長30,m，直徑1.25,m。

圖4 斷樁檢測(cè)曲線Fig.4 Detection curve of a broken pile

圖4的曲線是在設(shè)定樁長30,m的情況下得到的，曲線在12,m 左右出現(xiàn)強(qiáng)反射信號(hào)，且尾部發(fā)生漂移。分析尾部漂移的原因，應(yīng)該是樁身在 12,m 處存在嚴(yán)重縮徑或夾泥缺陷，由于在檢測(cè)中采用長力棒敲擊，即對(duì)短樁采用低頻高能量的激發(fā)方式，激發(fā)出的能量在缺陷處幾乎產(chǎn)生全反射，高能量的反射信號(hào)造成了曲線尾部的漂移。換用小錘敲擊后，得到標(biāo)準(zhǔn)的短樁曲線。該樁在12,m處完全斷開。

3.4 嚴(yán)重離析樁檢測(cè)曲線的反射特征

圖 5為太中銀某鐵路橋的基樁檢測(cè)曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長32,m、樁徑1.5,m。

圖5(a)在12,m處出現(xiàn)反射信號(hào)，并出現(xiàn)逐步衰減的兩次振蕩。對(duì)比圖 3，同樣是用長力棒敲擊，曲線尾部沒有發(fā)生漂移，說明樁沒有斷開，有一部分應(yīng)力波向下發(fā)生了透射，但樁底反射信號(hào)的能量已經(jīng)很小，被前面的振蕩信號(hào)覆蓋。

圖 5(b)是將樁長設(shè)定為 12,m 后的檢測(cè)曲線。曲線在12,m處的反射信號(hào)平緩，是典型離析缺陷的反映，同時(shí)揭示了2,m處的縮徑缺陷。

3.5 存在兩處缺陷的樁檢測(cè)曲線的反射特征

圖 6為太中銀某鐵路橋的基樁檢測(cè)曲線。該樁設(shè)計(jì)樁長43,m，直徑1.5,m。

圖5 離析樁檢測(cè)曲線Fig.5 Detection curves of a separate pile

曲線存在兩處異常，按該工地樁身平均波速 3,900,m/s計(jì)算，第一處異常深度在 5,m左右，第二處異常深度在 14,m左右，并且引起曲線振蕩。

圖6 存在兩處缺陷樁的檢測(cè)曲線Fig.6 Detection curve of a pile with two defects

經(jīng)分析，第一處異常為離析或夾泥缺陷的反映。

第二處異常出現(xiàn)的原因存在兩種可能：①根據(jù)地質(zhì)資料分析，在14.6～15,m的地層為軟塑的粘土層，該異常應(yīng)為嚴(yán)重缺陷的反映，樁身可能已經(jīng)在該處斷開；②樁身在 6,m處存在擴(kuò)徑，擴(kuò)徑信號(hào)和第一處異常信號(hào)的疊加引起了第二處異常信號(hào)，這可以在正演擬合中實(shí)現(xiàn)。

為驗(yàn)證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)該樁進(jìn)行了抽芯驗(yàn)證，在距樁中心35,cm處使用108,mm鉆頭進(jìn)行抽芯，驗(yàn)證結(jié)果為：在4.6～4.8,m間鉆機(jī)進(jìn)尺明顯加快，巖芯呈蜂窩狀，屬離析缺陷。之后鉆進(jìn)至 16,m，進(jìn)尺正常，取芯長度均在 0.8～1.2,m 之間，巖芯完整。在過樁中心的對(duì)稱位置進(jìn)行第二孔抽芯，除在 4.8,m出現(xiàn)異常外，在 13.5,m 處進(jìn)尺加快，巖芯呈碎塊狀，為夾泥缺陷的反映。抽芯驗(yàn)證證實(shí)了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語

通過上述幾個(gè)工程實(shí)例的分析，在進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①現(xiàn)場對(duì)出現(xiàn)異常信號(hào)的樁必須采用更換檢測(cè)位置、換用激發(fā)器械和改變采樣間隔的方法進(jìn)行多次測(cè)試，在樁存在淺部缺陷這一步時(shí)尤為重要。②對(duì)存在兩個(gè)異常信號(hào)的樁，應(yīng)重點(diǎn)分析產(chǎn)生第 2個(gè)異常信號(hào)的原因，這是因?yàn)榈?個(gè)異常信號(hào)位置深，反映出的缺陷也更為嚴(yán)重。③及時(shí)搜集工地的地質(zhì)條件和基樁的灌注記錄，對(duì)樁身可能出現(xiàn)的缺陷類型和位置有大致了解。④在充分考慮地質(zhì)條件和基樁灌注記錄的基礎(chǔ)上，對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行正演擬合，在論據(jù)不充分的情況下需進(jìn)行抽芯驗(yàn)證。

綜上，為避免成樁質(zhì)量事故的發(fā)生，首先應(yīng)當(dāng)提高質(zhì)量安全意識(shí)，做到精細(xì)化施工，完善每道工序的自檢程序，在施工過程中發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，不應(yīng)報(bào)有僥幸心理。同時(shí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，保證工程質(zhì)量?！?/p>

［1］TB 10218—1999 鐵路工程基樁無損檢測(cè)規(guī)程[S].1999.

［2］史佩棟.實(shí)用樁基工程手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［3］TB 10218—2008 鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].2008.

［4］段爾煥.樁基試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.