低應(yīng)變反射波法判斷樁基完整性

趙云龍，李凡，王駿，童進(jìn)

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

低應(yīng)變反射波法判斷樁基完整性

趙云龍，李凡，王駿，童進(jìn)

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

由于樁基工程是地下隱蔽工程，而施工及土層等復(fù)雜因素導(dǎo)致樁身質(zhì)量問(wèn)題普遍存在，因此檢測(cè)樁基質(zhì)量問(wèn)題十分重要。目前，在我國(guó)樁基檢測(cè)方法有多種，其中反射波法由于其基本原理簡(jiǎn)單、快速無(wú)損、資料判讀直觀、準(zhǔn)確度較高成為檢測(cè)樁基質(zhì)量的主流方法。根據(jù)在安徽淮北省道連接道路S203中出現(xiàn)不同樁身質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)低應(yīng)變反射波法并結(jié)合時(shí)域、頻域圖來(lái)判斷樁基的完整性。

傳感器；時(shí)域；頻域；激振點(diǎn)；波形圖

0 引 言

隨著建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，樁基礎(chǔ)作為一種安全、有效、方便的主要基礎(chǔ)形式，應(yīng)用也越加廣泛。但是樁基礎(chǔ)多為地下成樁，因此難免會(huì)出現(xiàn)諸如：縮擴(kuò)頸、斷裂、混凝土離析等諸多缺陷［1］。這些缺陷會(huì)在不同的程度影響樁基的質(zhì)量，使樁基達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此樁基檢測(cè)工作也越來(lái)越引起人們的關(guān)注，而低應(yīng)變反射波法是檢測(cè)樁身完整性應(yīng)用最廣的一種方法。

本文將從低應(yīng)變檢驗(yàn)樁基完整性的基本原理入手，結(jié)合在安徽淮北省道連接道路S203中樁基出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析。S203路線起點(diǎn)位于淮北市青龍山火車站附近的青龍山路和孟山南路交叉處，施工范圍起點(diǎn)位于新濉河北岸與省道S101交叉處，終點(diǎn)位于臨渙工業(yè)園基地北路與S203交叉處。工程施工范圍為：K0+914.5～K34+771，全長(zhǎng)33.857km。沿線經(jīng)濉溪鎮(zhèn)、百善鎮(zhèn)、四鋪鎮(zhèn)、韓村鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)，并上跨縣道、省道、高速等多條重要道路。其中426根基樁采取低應(yīng)變反射波法進(jìn)行檢測(cè)，因此能否檢測(cè)出來(lái)基樁的缺陷直接影響到后期工程的進(jìn)行。

1 適用范圍以及基本原理

1.1 適用范圍

該方法適用于鋼筋混凝土預(yù)制樁（預(yù)制混凝土方樁、板樁、預(yù)應(yīng)力管樁等）和混凝土灌注樁（鉆孔灌注樁、挖孔灌注樁、沉管灌注樁等）的樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)。

1.2 基本原理

低應(yīng)變反射波法，先是用重力錘樁頂施加一個(gè)瞬態(tài)激震力，產(chǎn)生豎向的瞬態(tài)應(yīng)力波，應(yīng)力波在樁身傳播的過(guò)程中。如遇到樁身阻抗變化時(shí)，應(yīng)力波就會(huì)在該處發(fā)出反射波信號(hào)，再由速度傳感器接收產(chǎn)生的反射信號(hào)，并作出時(shí)程（或稱為波形）曲線。然后利用信號(hào)采集儀對(duì)記錄的波形進(jìn)行處理和分析，最后結(jié)合地質(zhì)資料和施工記錄，對(duì)樁身的完整性作出判斷［2］。檢測(cè)方法如圖1所示。

圖1 檢測(cè)方法示意圖

低應(yīng)變反射波法是以把樁視為一維彈性桿為基礎(chǔ)的，當(dāng)在桿的一端施加一個(gè)瞬態(tài)脈沖力，則會(huì)有應(yīng)力波沿著桿的軸線像另一端傳播，如果在其傳播過(guò)程中遇到了桿件截面的波阻抗Z發(fā)生變化時(shí)，則在變化界面處會(huì)產(chǎn)生反射波。也就是說(shuō)，入射的應(yīng)力波在變阻抗的界面上，一部分波沿著界面繼續(xù)順著桿的軸線向下傳播（稱為透射波），而另一部分則從界面反射回去（稱為反射波）。

如果劃分為桿的上端阻抗Z1，界面下端阻抗Z2，則考慮桿件在界面連續(xù)，邊界條件應(yīng)該為：

其中u、u'和N分別表示界面處位移、速度和軸向力，下標(biāo)i、r、t分別表示入射反射和透射波。且軸向力N與應(yīng)力σ以及位移u有如下關(guān)系：

這樣，就可以推出反射系數(shù)Rr和透射系數(shù)Rt：

式中：

帶入式（4）和（5）得

由式（7）可以看出，當(dāng)樁界面上下兩端阻抗相差越大，反射波反射越明顯，反射能越大，故可以根據(jù)傳感器接收信號(hào)所得出的曲線圖來(lái)判斷樁的完整性。且缺陷越大，曲線圖越明顯，越容易看出缺陷位置［3］。

2 測(cè)試前的準(zhǔn)備工作

2.1 樁頂處理

樁頂處理的好壞直接關(guān)系到樁的質(zhì)量缺陷是否能被檢測(cè)出來(lái)。因此要求被檢樁的樁頂混凝土質(zhì)量、設(shè)計(jì)與截面尺寸相同。且對(duì)于不同形式的樁應(yīng)采用不同的處理形式：如果檢測(cè)對(duì)象為鉆孔灌注樁，應(yīng)鑿除樁頂浮漿，露出新鮮、堅(jiān)硬的混凝土；若為預(yù)制混凝土樁，宜在破樁前進(jìn)行低應(yīng)變測(cè)試，被檢樁的樁頂檢測(cè)面必須平整、密實(shí)和水平。

2.2 傳感器安裝

傳感器應(yīng)穩(wěn)固地安置在樁頂，粘合劑可采用橡皮泥或者黃油等材料。安裝完畢的傳感器應(yīng)緊貼樁的頂面，傳感器不產(chǎn)生滑動(dòng)、信號(hào)線不抖動(dòng)，不能用手扶持傳感器和信號(hào)線，并保證傳感器安裝平面與樁的中心軸線垂直。

2.3 激振錘的選擇

選用不同材質(zhì)錘頭的主要目的是控制激勵(lì)脈沖的寬窄，以獲得清晰的樁身阻抗變化和反射和樁底反射。當(dāng)樁身缺陷位置離樁頂較近時(shí)，宜選用質(zhì)量小且剛度較大的錘頭；反之，樁身缺陷位置離樁頂較遠(yuǎn)時(shí)，宜選用質(zhì)量較大且剛度較小錘頭，得到的沖擊脈沖較寬，低頻成分較多，相應(yīng)的應(yīng)力波能傳遞到樁身較深部位。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了保證原始資料準(zhǔn)確、無(wú)誤，首先要控制好儀器增益，以期來(lái)控制信噪比及避免信號(hào)削尖現(xiàn)象。而且對(duì)于較長(zhǎng)較大的樁，應(yīng)適當(dāng)增加錘擊能量和降低錘擊脈沖頻率，以克服錘擊能量衰減速度快的弊端。而對(duì)于淺部位置波阻抗變化，則要提高脈沖頻率［4］。

4 室內(nèi)數(shù)據(jù)分析處理

4.1 時(shí)域和頻域結(jié)合分析

樁身完整性分析以時(shí)域曲線為主，輔以頻域分析，并結(jié)合施工情況等因素進(jìn)行分析處理。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)域中的信息直觀、明了，很容易看到缺陷和樁底反射；頻域中的信息間接，需要仔細(xì)分析。

如圖1，該樁長(zhǎng)15.7m，直徑1.4m，在圖2（a）中出現(xiàn)的樁頂發(fā)射較為明顯，無(wú)缺陷反射波；在圖2（b）中，清晰地看出△f=126.01Hz，△L=c/△f/2=3911/126.01/2=15.51m，二者結(jié)果大體一致。

圖2（a）時(shí)域圖

圖2（b）頻域圖

4.2 濾波技術(shù)

采用加速度傳感器時(shí)，選擇不小于2000Hz的低通濾波對(duì)積分后的速度信號(hào)進(jìn)行處理；采用速度傳感器時(shí)，選擇不小于1000Hz的低通濾波對(duì)積分后的速度信號(hào)進(jìn)行處理。

4.3 曲線放大

線性放大，可使細(xì)小的缺陷明顯；指數(shù)放大，可使各反射面相對(duì)明顯，有時(shí)會(huì)使曲線畸變。

4.4 缺陷處信號(hào)重復(fù)反射問(wèn)題的識(shí)別

當(dāng)縮頸樁的縮頸處截面積變小時(shí)，即存在波阻抗變化界面，這時(shí)在時(shí)域波形圖中能見(jiàn)到明顯的縮頸反射和樁底反射信號(hào)。如圖3，在樁頂1.2m左右出現(xiàn)正半波，意昧著縮徑，后來(lái)經(jīng)挖開(kāi)后，出現(xiàn)“蘑菇頭”，是因?yàn)闈仓r(shí)護(hù)筒大于樁徑所致，如圖4。

5 結(jié) 論

①為保證低應(yīng)變反射波法能夠?qū)痘毕葑龀稣_判斷，必須要盡可能減少人為因素所產(chǎn)生的一些誤差。選擇性能穩(wěn)定的傳感器，減少環(huán)境因素的影響，合理地應(yīng)用濾波處理和設(shè)置儀器參數(shù)。

②運(yùn)用低應(yīng)變反射波法判斷樁基完整性必須要結(jié)合工程實(shí)際。雖然我們能通過(guò)接收到信號(hào)做出明確的判斷，但是要對(duì)樁身完整性做出準(zhǔn)確判斷必須要明確工程的施工工藝和場(chǎng)地情況。

③合理的應(yīng)用低應(yīng)變反射波法可以更好地指導(dǎo)基樁的施工。

圖3 1.2m處縮徑時(shí)域圖

圖4 現(xiàn)場(chǎng)圖

［1］胡在良，張佰戰(zhàn).時(shí)域頻域法聯(lián)合判定樁身完整性的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2008（1）：58-60.

［2］劉明貴.樁基檢測(cè)技術(shù)指南［M］.北京：科學(xué)出版社，1995：245-252.

［3］黃晏輝.低應(yīng)變反射波法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)西部科技，2015，14（5）：57-58.

［4］李武強(qiáng).利用低應(yīng)變檢測(cè)曲線判斷樁基質(zhì)量［J］.中國(guó)煤田地質(zhì)，2003，15（1）：63-64.

TU473.1+6

B

1007-7359（2016）02-0261-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.093

趙云龍（1990-），男，安徽阜陽(yáng)人，合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：巖土與地下工程。