無損檢測方法在水泥攪拌樁質量控制中的應用探討

曹勤方，徐 敏

（1.江蘇省泰州市航道管理處，江蘇 泰州 225300；2.江蘇省泰州市交通運輸局，江蘇 泰州 225306）

引 言

水泥攪拌樁是一種用于加固軟土地基的有效方法，由于其良好的經濟效益和社會效益，該方法在地基處理、邊坡支護、防滲等工程中得到了廣泛的應用[1,2]。然而，水泥攪拌樁屬于隱蔽工程，如果出現質量問題，將產生不良沉降而造成上部建筑物破壞，影響地基處理效果及航道整治工程質量，因此對水泥攪拌樁的工后質量檢測顯得尤為重要[3]。

鉆孔取芯法和靜載試驗法是多數規(guī)范中提及的最常用的水泥攪拌樁檢測方法[3,4]。鉆孔取芯法可通過芯樣觀察判斷水泥土的均勻性，通過室內無側限抗壓強度試驗判斷樁身強度是否滿足設計要求，但該法操作較為復雜，耗時較長，取芯后擾動大，工效低。靜載試驗是目前公認的最可靠的樁基質量檢測方法，其可確定單樁豎向抗壓承載力、單樁豎向抗拔承載力或單樁水平承載力，但該法亦存在工期長、工價高等缺點[5-6]。

無損檢測方法由于簡便、快捷、經濟的特點，近年來在水泥攪拌樁的質量評價中逐漸得到了重視。如D.A.Staab等[7]應用地質雷達法和電阻率法相結合來探測模擬的深層攪拌樁缺陷，但其實際效果有待檢驗。段文旭[8]綜合應用低應變法和聲波透射法對樁基整體質量和局部細節(jié)進行檢測，取得了較好的效果；鐘新亮等[9]對比了水泥攪拌樁的低應變反射波法和鉆孔取芯法的試驗結果，提出了低應變反射波法的適用范圍。

本文依托通揚線航道整治水泥攪拌樁質量檢測工程實際，分析了低應變反射波法、地質雷達法的檢測原理，設計了現場試驗對比兩種無損檢測方法的檢測效果，并對可行性進行評價，對提高航道整治工程水泥攪拌樁質量檢測水平具有積極意義。

1 無損檢測的基本原理

1.1 低應變反射波法

低應變反射波法的原理是基于一維彈性桿平面應力波波動理論[10]。假設水泥攪拌樁體為一維彈性桿件，在其樁頂施加一激振力以產生壓縮波沿樁身向下傳播，當樁身存在明顯的波阻抗Z變化界面時，將產生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z變化決定，Z可由式（1）計算而得。其中界面上下部波阻抗分別為Z1和Z2。

式中：Z為波阻抗；ρ為樁身材料密度，單位kg/m3；C為樁身平均波速，單位m/s；A為樁橫截面積，單位m2。

1）當Z1=Z2時，表示樁截面均勻，無缺陷。

2）當Z1＞Z2時，表示在相應位置存在截面縮小或低強度層等缺陷，反射波速度信號與入射波速度信號相位一致。

3）當Z1＜Z2時，表示在相應位置存在截面擴大，反射波與入射波速度信號相位相反。

當確定樁身水泥土波速后，可根據缺陷反射波的走時。估算出缺陷的位置，即距缺陷樁頭的距離L'為：

式中：L'為缺陷距樁頭距離，單位m；C為樁身平均波速，單位m/s；t'R為缺陷反射波的走時，單位s。

1.2 地質雷達法

地質雷達法是向地下發(fā)射高頻電磁波掃描，通過在不同介質而上反射的差異，經過數據處理，顯示出樁體在地下的影像[11]。該方法能快捷、直觀地反映樁在地下的成像情況。地質雷達屬于高頻電磁波，工作原理是基于電磁波的反射原理。地質雷達由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產生高頻脈沖波的發(fā)射機和向外輻射電磁波的天線（Tx）組成。通過發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面（不同介電常數）產生反射。反射波被設置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄或在終端將兩種顯示出來。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態(tài)而變化。因此，根據接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷地下介質的分布情況。

2 試驗工程條件

2.1 工程概況

本試驗依托通揚線航道整治水泥攪拌樁檢測工程。通揚線全長約300 km，橫貫蘇中地區(qū)的揚州、泰州、南通三市，沿線經過區(qū)域在地質構造單元上屬下揚子板塊蘇北－南黃海盆地，試驗標段地處南京～南通（寧通）隆起區(qū)的泰州凸起，為第四系覆蓋。由于本航道沿線軟土分布較廣，軟基處理設計時主要采用長8 mφ100 cm和長6 mφ70 cm水泥攪拌樁。水泥采用42.5號（425#）硅酸鹽水泥，水泥摻入比為20%（每延米摻65 kg水泥），置換率約18%～20%。水泥攪拌樁90天齡期的樁身強度設計值不小于1.2 MPa，7（28）天齡期的樁身強度不小于設計值的30%（70%）。

2.2 場地地質條件

本次試驗場地地表以素填土、粉質粘土為主，層厚一般為0.7～3.5 m。下覆軟土為淤泥質粉質黏土，部分為淤泥及淤泥質黏土，灰色、灰黑色，土質不均，混粉土，夾腐植物，高壓縮性，高孔隙比，土性較差。該層分布較連續(xù)，層頂面埋深一般為0.5～5.4 m，厚度變化較大，變化范圍0.5～14.4 m。場地內淺部地下水為松散巖類孔隙型潛水，下部層粉土、粉砂、粉質黏土混砂，含水貯水，與上部潛水存在相互補給關系，構成了項目區(qū)域的孔隙型微承壓含水層。

3 試驗方案

在現場隨機抽取檢測樁分別進行低應變反射波試驗及地質雷達探測，對比其檢測結果及反映內容，評價可行性。

1）低應變反射波試驗

成樁28 d，60 d后，每個齡期抽取3根水泥攪拌樁進行檢測，在檢測過程中通過調整激振形式、傳感器與擊振點距離等參數，以獲取最優(yōu)的檢測效果。得到樁身平均波速取值，樁身完整性描述、缺陷的位置及樁身完整性類別；為保證結果的準確性，每根樁需進行至少5次平行測試試驗。

2）地質雷達探測

成樁28 d后，抽取6根水泥攪拌樁進行檢測，設計合理的天線移動路線及不同的天線頻率（100 MHz及400 MHz），數據采集模式為時間模式，測程為300 ns，采樣點數為512，數據位為16，增益設置為5點自動增益，濾波器采用無限響應濾波器，垂向低通濾波值為300 MHz，垂向高通濾波值為25 MHz，得到地質雷達圖像，評價樁身質量。

4 試驗結果與分析

4.1 反射波動測試驗

對成樁28 d，60 d的6根水泥攪拌進行了低應變反射波試驗，試驗結果如表1所示。

表1 低應變反射波試驗結果

由表2可知，1號樁距樁頭2 m處、3號樁距樁頭3.1 m處、4號樁距樁頭1.68 m與2.19 m處均存在嚴重缺陷，缺陷處反射波相位與入射波相位一致，判斷此處水泥攪拌不均勻。2、5、6號樁樁身基本完整；水泥攪拌樁波速在2 000～3 000 m/s之間，2、3號樁平均波速分別為2 695.5 m/s、2 637.8 m/s，其余4根樁波速基本在2 100 m/s左右，由于波速與樁身強度成正比，可以判斷2、3號樁強度較其他樁強度更大。根據水泥土強度的齡期規(guī)律，其強度隨齡期的增大而增大，而波速也表現出相似現象[12]。表明在反射波動測試驗中，除了根據時域曲線判斷樁身完整性外，亦可通過波速判斷樁身強度。

本次試驗還通過改變不同的激振方式（鐵錘，木錘），不同振源與傳感器的距離，對反射時域曲線的顯示效果進行評價。圖1、圖2為不同激振方式的時域曲線，可以看出，木錘的時域曲線雜亂，顯示效果較差，易影響判斷。鐵錘的時域曲線有規(guī)律，顯示效果更好。圖3、圖4為振源與傳感器距離不同的時域曲線，當振源距傳感器0.1 m（較近）時，敲擊時會造成影響傳感器的振動，出現較多有規(guī)律的振動反射波，影響判斷結果，而當振源距傳感器0.2 m（較遠）時，波形曲線較好。圖5為某6 m長樁的時域曲線，較其它8 m長樁的時域曲線，其樁底反射明顯。此外，從給出的時域曲線可以看出，該場地下的水泥攪拌樁在1～2 m間都存在明顯反射，這是由于1～2 m間為淤泥質地層，其土體初始含水率較高，盡管加入水泥攪拌后，其強度有所提升，但波阻抗較其它地層仍有明顯變化，可能會產生易造成誤判的反射波。因此，提出在該場地條件下，應用低應變反射波法對水泥攪拌樁的質量檢測的優(yōu)化方法及適用條件。鐵錘作為激振方式效果更佳；振源與傳感器的距離不能太近，以1/5D（D為樁徑）為宜；樁長超過6 m后樁底反射不明顯；在含水率大的土層應注意區(qū)別容易產生誤判的反射波。

圖1 反射波時域曲線（木錘）

圖2 反射波時域曲線（鐵錘）

圖3 反射波時域曲線（振源距傳感器0.1 m）

圖4 反射波時域曲線（振源距傳感器0.2 m）

圖5 反射波時域曲線（6 m長樁）

4.2 地質雷達探測

使用SIR-3000型地質雷達分別設置100 MHz天線和400 MHz天線對水泥攪拌樁進行檢測。地質雷達云圖如圖6、圖7所示。

由圖6可知，100 MHz頻率下地質雷探測深度約為10 m，0～1 m段出現高頻強反射信號，1 m以下主要為低頻反射信號，初步判斷兩層地層性質差異較大。260scan處出現同軸連續(xù)性較強的反射弧信號，判斷該處為水泥攪拌樁位置，但從該信號只能簡要識別樁基位置，對樁缺陷及完整性無法識別。由圖7可知，提高天線頻率后，探測深度較100 MHz天線大大降低，只有約1.5 m，0 m處為空氣和泥面界面層，信號反射強烈，出現強反射層，2 300scan處出現同軸連續(xù)性較強的反射弧信號，根據現場比對，此處為水泥攪拌樁。結合現場情況，測線內1 700～1 800scan之間也存在水泥攪拌樁，但未見明顯反射。這是由于兩個樁的水泥攪拌質量、密度等指標差異，導致介電常數差異，其中2 300scan處的樁基介電常數與周邊泥土差異更為明顯。該頻率下的測試結果與100 MHz類似，只能簡要識別樁基位置，但對樁基缺陷及完整性無法識別。地質雷達運用于水泥攪拌樁質量檢測過程中只能簡要識別樁基位置，但對樁基缺陷及完整性無法識別。地質雷達更適用于測試層狀結構物，對于樁基這類桿狀結構物，需要有足夠的天線覆蓋面積才能達到相應的探測深度，但是提高覆蓋面積以后，所測圖像的分辨率又達不到可識別的要求[13]。因此本次試驗判斷地質雷達運用于水泥攪拌樁樁身質量檢測不可行。

圖6 100 Hz天線雷達圖像

圖7 400 Hz天線雷達圖像

4.3 兩種無損檢測方法的對比

低應變反射波法運用于水泥攪拌樁質量檢測一直頗受爭議。本文對不同齡期的水泥攪拌樁通過調整擊振錘形式、傳感器與擊振點距離等參數進行了反射波動測試驗，得到了反射波時域曲線，對樁體缺陷進行了評價，并根據波速，簡略判斷了水泥土的強度，是一種定性與定量相結合的水泥攪拌樁質量檢測手段。同時，對不同樁長，不同地層的時域曲線進行分析，對其適用范圍進行的探討。表2列出了兩種無損檢測方法的對比。從可行性角度，低應變反射波法運用于水泥攪拌樁質量檢測是可行的。但在測試過程中，需有針對性的優(yōu)化測試方法，同時要求測試人員具有較高的反射波波形分析能力。

地質雷達探測已經在工程地質勘察、混凝土襯砌檢測、水工結構評價領域得到了廣泛應用[14]。從檢測原理角度，其可應用于水泥攪拌樁的質量檢測。但是本文通過現場試驗得出，地質雷達探測只能簡要識別樁基位置，對樁基缺陷及完整性無法識別。因此判斷該方法運用于水泥攪拌樁質量檢測不可行。

表2 兩種無損檢測方法的對比

5 結 論

本文基于低應變反射波法、地質雷達探測兩種無損檢測方法的基本原理，對其應用于航道整治工程水泥攪拌樁質量檢測中的效果和可行性進行探究，主要得出了以下結論：

1）低應變反射波法既可通過時域曲線識別樁體缺陷，又能根據波速判斷樁體強度，是一種經濟快捷的定性+定量檢測方法。但在測試過程中，需有針對性的優(yōu)化測試方法。

2）樁長6 m的水泥攪拌樁應用低應變反射波測試有明顯樁底反射，而樁長8 m的樁樁底反射不明顯。當地層初始含水率較大時，易產生“誤判”反射波。因此在該場地條件下，低應變反射波法更適用于地層初始含水率較小的短樁。

3）地質雷達只能簡要識別樁基位置，但對樁基缺陷及完整性無法識別，不適用于水泥攪拌樁的質量檢測。