低應(yīng)變反射波法樁基完整性檢測技術(shù)及應(yīng)用

張占超 朱浩然 翁 楠 連 晶

(1.張家口市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站,河北 張家口 075000；2.河北省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，河北 張家口 075000；3.張家口市正元工程檢測中心，河北 張家口 075000)

0 引 言

當(dāng)前，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，工程建設(shè)也在迅猛發(fā)展.而現(xiàn)代化建設(shè)的重要特征之一的高層建筑，則隨之拔地而起.高層建筑通常荷載大，層數(shù)高，所以地基承載力的要求，變形的要求都較高.樁基礎(chǔ)具有較高的承載力，同時其沉降量較小，變形穩(wěn)定性好，應(yīng)用較為廣泛.樁基工程在地下施工，屬于隱蔽工程，不能進行直觀的質(zhì)量檢測.所以樁基完整性檢測成為了質(zhì)檢的重要內(nèi)容[1].樁的完整性檢測，得到國內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注與研究.

吳文軍等[2]對樁基進行了兩種方法的艱完整性檢測，分別為鉆芯法和低應(yīng)變反射波法，并分析了兩種檢測方法的結(jié)果，討論了各自的優(yōu)缺點.韓亮[3]對聲波透射法進行了詳細的介紹說明，主要包括其新的技術(shù)方法，如三維層析成像分析、相對能量判別等；并分析了其在工程中的應(yīng)用實例.Si Yi Du等[4]根據(jù)應(yīng)力波理論和試驗結(jié)果,分析了影響樁身應(yīng)力波速度的因素,確定了樁身應(yīng)力波速度與時間和混凝土齡期的定量關(guān)系,提出了5種樁身應(yīng)力波速度的量化方法,供試驗工程師根據(jù)工程實際控制樁身質(zhì)量.楊宇等[5]采用低應(yīng)變法，對樁柱式基礎(chǔ)進行了分析，研究了該方法的適宜性.牟粼琳等[6]采用有限元方法，模擬了低應(yīng)變法樁基檢測，并對信號進行小波分析，驗證了小波分析系統(tǒng)的合理性.

從上述研究可知，對于樁基完整性檢測，主要有鉆芯法、聲波透射法、高應(yīng)變法和低應(yīng)變法[7]等.低應(yīng)變法中又分為反射波法[8]、動參數(shù)法和機械阻抗法[9]等.低應(yīng)變反射波法因具有諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用.本文主要針對低應(yīng)變反射波法，介紹其原理和系統(tǒng)，以及其工程應(yīng)用實例.

1 低應(yīng)變反射波法原理

低應(yīng)變反射波法，作為廣泛應(yīng)用的樁基檢測技術(shù)，其理論基礎(chǔ)就是波動理論，該理論的假定條件為：將桿件視為一維的、均質(zhì)的、連續(xù)的線彈性桿件.使用激振設(shè)備，從樁頂輸入激振信號，使之產(chǎn)生彈性波，并沿樁身傳播，方向向下，當(dāng)彈性波傳至樁底時，會產(chǎn)生反射波，方向向上；在傳播的過程中，如果樁身存在不連續(xù)界面，比如斷樁、離析、擴徑、縮頸等情況，波阻抗就會發(fā)生變化，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的反射波，與入射波相疊加.之后通過傳感器，放大器等儀器，對反射信號進行收集，并通過分析軟件，綜合分析反射波的波形、相位、頻譜等信息，從而判斷樁身的完整性.

2 低應(yīng)變反射波法檢測系統(tǒng)

上述所知，低應(yīng)變反射波法，是一門綜合應(yīng)用技術(shù)，涉及到多種學(xué)科，如樁基工程、物理學(xué)、計算機技術(shù)等.其工作示意圖如圖1.

圖1 低應(yīng)變反射波法工作原理示意圖

2.1 激振設(shè)備

低應(yīng)變反射波法，通過激振設(shè)備在樁頂施加激振信號，主要有手錘、自由落體球等，多數(shù)采用手錘.不同類型的手錘，其材料、質(zhì)量、有效接觸面積均不同，產(chǎn)生的激振信號也不同.各振源因素的主要表現(xiàn)為：

2.1.1 錘頭材質(zhì)

當(dāng)采用的錘頭材質(zhì)較硬時，激發(fā)是脈沖信號相對較窄，較窄的脈沖信號對樁身缺陷的判別有利，但非常容易衰減，不易收集反射信號；反之，當(dāng)采用的錘頭材質(zhì)較軟時，激發(fā)是脈沖信號相對較寬，較寬的脈沖信號收集較容易，但同時對樁身缺陷的判別能力減弱.

2.1.2 錘擊能量

錘體自身的重量以及錘擊的速度，決定了激振信號的能量的大小.錘擊能量應(yīng)當(dāng)適宜，能量如果太小，因為應(yīng)力波的衰減，反射信號不易采集.錘體重量也不能過大，否則會掩蓋反射信號.所以，應(yīng)根據(jù)實際工程，選擇合適的錘體重量和錘擊速度.

2.1.3 有效接觸面積

大直徑灌注樁的檢測，應(yīng)選擇較重的錘體，從而加大錘擊能量，同時，宜選擇直徑較大的錘體，可以增加樁頂與錘體的有效接觸面積，使得收集到更加清晰明顯的反射信號.

2.2 傳感器

樁基檢測中，主要用到力傳感器和速度傳感器.傳感器的選擇與安裝，需要滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求.在實際工程情況中，根據(jù)靈敏度、阻尼比、固有頻率及頻寬等主要技術(shù)指標(biāo)，選擇適宜的傳感器.

2.3 放大器

反射信號收集之后，為了得到更加清晰明顯的信號，方便之后的分析和判定，需要放大器將信號放大.

2.4 信號采集分析儀

信號采集分析儀，其工作原理是，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采集信號.相關(guān)規(guī)定[10]要求轉(zhuǎn)換器位數(shù)，不得低于12位.信號分辨率由轉(zhuǎn)換器位數(shù)決定.信號輸入量見公式1：

Va=Vr(a1×2-1+a2×2-2+…an×2-n)

(1)

式中，n為轉(zhuǎn)換器位數(shù)，信號的最小分辨率為2-(n-1).

實際工程應(yīng)用時，要求該儀器體積小、方便操作使用、性能穩(wěn)定.同時，還需具備多種綜合功能，如數(shù)據(jù)采集、計算、分析等.

3 工程應(yīng)用實例分析

3.1 完整樁工程實例

某高層樁基工程，采用嵌巖樁，樁長為L=30m，樁徑D=1000mm，設(shè)計時選用C30混凝土.查看巖土勘察資料可知，土層分為四層，分別為沙質(zhì)蓬松土、粉質(zhì)黏土、堅硬粉質(zhì)黏土及密實性粉質(zhì)黏土，該樁的樁端持力層為密實性粉質(zhì)黏土.檢測前，連接檢測設(shè)備，調(diào)整儀器精密度，對樁頭進行處理，布置傳感器，輸入激振信號，采集記錄清晰的時域曲線(如圖2)，經(jīng)專業(yè)人士分析判斷，判定樁身完整性.

圖2 某完整樁實測時域曲線

由圖2可知，該樁的實測時域曲線光滑、規(guī)則，樁身完整性好；15m之前曲線逐漸下降，土層較好；樁底的反向反射波清晰明顯，說明該樁嵌巖良好，沒有沉渣.波速為3200m/s.

完整樁的時域曲線，因不存在離析、擴徑等缺陷，波阻抗幾乎變化很小，其曲線規(guī)則、光滑.

3.2 縮徑、擴徑樁工程實例

某辦公樓高層建筑的樁基工程，采用鉆孔灌注樁，樁長為L=40m，樁徑D=800mm，設(shè)計時選用C25混凝土.查看巖土勘察資料可知，土層分為四層，分別為淤泥質(zhì)粉砂、粉細砂、淤泥質(zhì)黏土、堅硬狀粉質(zhì)黏土，以全風(fēng)化花崗巖為樁端持力層.實測時域曲線如圖3.

圖3 某擴徑樁實測時域曲線

由圖3時域曲線，同時查詢工程地質(zhì)條件、施工記錄，分析可知，該樁有護筒，長度為4m，筒徑1000mm.分析時域曲線，該樁樁身4m處出現(xiàn)同相反射波，發(fā)生縮徑，6m處出現(xiàn)反向反射波，存在擴徑現(xiàn)象，8m處發(fā)生第二次縮徑，10m處發(fā)生再次擴徑現(xiàn)象.波速3500m/s.

縮徑與擴徑樁，是指樁徑在某處突然縮小或擴大，在界面處產(chǎn)生了波阻抗的大幅變化，形成不同相位的反射波，得到的時域曲線也有相應(yīng)的表現(xiàn).

3.3 離析樁工程實例

某樁基工程，采用沖擊成孔灌注樁，查看巖土勘察資料可知，土層分為四層，分別為粉質(zhì)黏土、粗砂、細砂、密實性粉質(zhì)細砂.其樁長L=20m，樁徑D=1200mm，設(shè)計時選用C30混凝土.實測時域曲線如圖4.

圖4 某離析樁實測時域曲線

由圖4時域曲線，同時查詢工程地質(zhì)條件、施工記錄等，分析可知，時域曲線在4m附近處出現(xiàn)反向反射波，產(chǎn)生擴徑，8m之后呈現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，而樁身底部沒有明顯反應(yīng).故樁身在8～9m處，發(fā)生了嚴(yán)重的離析現(xiàn)象.

離析樁，是指外形完整，但因為材料、水灰比或骨料配比，以及施工振搗等問題，導(dǎo)致局部段砂石分布不均的樁.在發(fā)生離析處，波阻抗發(fā)生變化，其時域曲線呈現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

樁基檢測技術(shù)，是一門涉及到多種學(xué)科的綜合性技術(shù)，本文介紹了低應(yīng)變反射波法的基本原理以及檢測系統(tǒng)，并對典型的工程應(yīng)用實例進行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)完整樁的時域曲線，因不存在離析、擴徑等缺陷，波阻抗幾乎變化很小，其曲線規(guī)則、光滑.

(2)縮徑與擴徑樁，在界面處產(chǎn)生了波阻抗的大幅變化，形成不同相位的反射波，得到的時域曲線也有相應(yīng)的表現(xiàn).

(3)離析樁，在發(fā)生離析處，波阻抗發(fā)生變化，其時域曲線呈現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象.

(4)不同的激振設(shè)備，不同的樁身類型，產(chǎn)生不同的反射曲線，建議結(jié)合具體的工程情況，選擇合適的激振設(shè)備，這樣有利于得到清晰明顯反射曲線，并綜合地質(zhì)條件資料、施工記錄等多種因素來判定，提高準(zhǔn)確性.