基于低應(yīng)變反射波法的建筑工程樁基檢測技術(shù)

黃健鋒

（清遠(yuǎn)市建設(shè)工程質(zhì)量檢測站有限公司 廣東清遠(yuǎn) 511500）

0 引言

樁基是將樁腳直接落在巖層上，并將建筑物的壓力通過樁基傳遞到巖層上的過程。因此，樁基的穩(wěn)定性直接決定著上層建筑物的穩(wěn)定性［1］。按照施工環(huán)境，樁基可分為提前制作的樁基與現(xiàn)場灌注的樁基。將混凝土樁基提前制作好，并利用相關(guān)機(jī)械打入地層下方。此種形式的樁基可以節(jié)省施工材料，但是施工時(shí)間相對(duì)較長，對(duì)施工技術(shù)的要求較高［2］。灌注樁是在地面上按照深度與樁基孔徑大小，鉆出合適樁基的孔，并放入鋼筋籠，再灌注混凝土，使其成型。此種方式的樁基適用范圍較廣，但是用料相對(duì)較多。

在施工過程中，施工人員可以根據(jù)建筑物實(shí)際情況，選取更合適的樁基類型。低應(yīng)變反射波法是一維波動(dòng)方程理論，將樁基的樁身作為基礎(chǔ)條件，并擊打樁頂，使樁頂周圍產(chǎn)生振動(dòng)，此振動(dòng)信號(hào)向樁身、樁底傳播，形成應(yīng)力波［3］。當(dāng)其傳播到缺陷或樁底時(shí)，入射的應(yīng)力波就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的反射現(xiàn)象，引起周圍其他振動(dòng)。應(yīng)力波在從樁底傳播至樁頂時(shí)，可以被傳感裝置接收，形成反射波。根據(jù)應(yīng)力波、入射波、反射波的波形情況，即可對(duì)樁基進(jìn)行綜合檢測［4］。因此，本文利用低應(yīng)變反射波法，設(shè)計(jì)建筑工程樁基檢測技術(shù)，為樁基的穩(wěn)定性施工提供基礎(chǔ)條件。

1 低應(yīng)變反射波法在建筑工程樁基檢測技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.1 樁頭浮漿處理

對(duì)于樁基而言，主要依靠樁身支撐上層建筑物的垂直壓力，樁尖部分承受的力較小，適應(yīng)范圍較廣。在樁基檢測過程中，樁頭的處理至關(guān)重要［5］。樁頭浮漿、破損等情況，使混凝土表面無法裸露。本文使用的低應(yīng)變反射波法，在檢測過程中，很容易受到浮漿的影響，使波形出現(xiàn)較大的變化，影響樁基檢測效果。浮漿處理如圖1所示。

圖1 浮漿處理Fig.1 Laitance Treatment

如圖1所示，浮漿處理較為簡單，在樁頂將浮漿鑿落，并裸露出新鮮混凝土［6］。樁頂?shù)?個(gè)頂點(diǎn)相應(yīng)磨平處理，距離鋼筋≥15 cm?；炷疗茡p處理如圖2所示。

圖2 破損處理Fig.2 Damage Treatment

如圖2所示，混凝土樁頂處存在不規(guī)則面層，影響低應(yīng)變反射信號(hào)的接收［7］。本文對(duì)其進(jìn)行打磨處理，將不規(guī)則平面打磨光滑之后，在不存在空洞與裂縫的情況下，于樁頂處測量樁基的完整截面面積。

1.2 基于低應(yīng)變反射波法的樁基缺陷位置確定

樁基的樁長普遍大于其直徑，本文將其作為一維彈性體。使用低應(yīng)變反射波法捶打樁基，并使其處于振動(dòng)狀態(tài)后，樁內(nèi)各個(gè)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生的位移均服從虎克定律［8］。本文分別將樁長、截面積、質(zhì)量密度、彈性模量分別以L、K、ρ、P表示，根據(jù)一維波動(dòng)方程，得出L、K、ρ、P的計(jì)算公式如下：

式中：L為樁長波動(dòng)；P為彈性模量；?為波長；a、b、c、d為不同角度的應(yīng)力波傳播速度；K為截面積波動(dòng)；A為應(yīng)變位移；Aα為α方向應(yīng)力波的應(yīng)變位移；t為入射波發(fā)生反射的時(shí)刻；ρ為樁基質(zhì)量密度。由此得出樁基缺陷位置的維波動(dòng)方程如下：

式中：u為應(yīng)力波的波動(dòng)函數(shù)；m為波長。當(dāng)u是m的整數(shù)倍時(shí)，樁頂與樁底在t時(shí)刻的彈性波動(dòng)一致；當(dāng)u=m時(shí)，樁頂會(huì)接收向下傳播的入射波，并出現(xiàn)阻抗波動(dòng)，在出現(xiàn)阻抗波動(dòng)的區(qū)域就是樁基缺陷位置，可以保證樁基檢測的效果。

1.3 樁基樁位偏差檢測

確定了樁基缺陷位置之后，本文選擇出合適的樁基檢測傳感裝置。傳感裝置對(duì)樁基檢測至關(guān)重要，是接收低應(yīng)變反射信號(hào)的關(guān)鍵設(shè)備。選擇設(shè)備剛度、強(qiáng)度較高的振動(dòng)裝置，保證入射波可以從樁頂直達(dá)樁底［9］。在檢測過程中，將樁基長度、直徑、混凝土強(qiáng)度、工程地質(zhì)條件、樁基灌注記錄等數(shù)據(jù)采集出來，并在樁身凝固、彈性模量＞1 的條件下，計(jì)算樁位坐標(biāo)。公式如下：

式中：H為樁基樁位的橫坐標(biāo)；hz為樁孔偏心距；h0為樁孔初始高度；Z為樁基樁位的縱坐標(biāo)；T為樁位偏差計(jì)算時(shí)刻；S為孔徑裝置下落深度。樁位在施工前，按照平面圖的位置布設(shè)，在樁位全部施工完畢之后，對(duì)樁位坐標(biāo)進(jìn)行檢測，如檢測出的樁位偏差≤0.5 μm，即可滿足樁基施工標(biāo)準(zhǔn)。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的檢測技術(shù)是否具有實(shí)用價(jià)值，本文以X 建筑工程為例，對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行實(shí)例分析驗(yàn)證。X 建筑工程為橋梁樁基工程，橋梁全長約882.45 m，寬度約31.63 m，上、下行分離式的斷面結(jié)構(gòu)，使橋梁更加穩(wěn)定。橋梁設(shè)計(jì)樁基共232個(gè)，樁徑分別為1.20 m 與1.50 m，樁長分別為7.50 m 與28.50 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。本文利用SH-LST 基樁低應(yīng)變檢測儀，對(duì)X建筑工程樁基進(jìn)行檢測，如圖3所示。

圖3 SH-LST基樁低應(yīng)變檢測儀Fig.3 SH-LST Pile Low Strain Detector

如圖3 所示，SH-LST 基樁低應(yīng)變檢測儀可以自動(dòng)識(shí)別錘擊信號(hào)，在采集樁基數(shù)據(jù)時(shí)，功耗較低，速率較高，能夠靈活使用。將相關(guān)數(shù)據(jù)采集完成之后，數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)在觸摸顯示屏上，可以適用于本次工程。選擇合適的檢測儀器之后，本文對(duì)樁頭浮漿進(jìn)行處理，破損區(qū)域進(jìn)行磨平處理。由此得出樁基成孔質(zhì)量情況，如表1所示。

表1 樁基成孔質(zhì)量情況Tab.1 Pile Foundation Pore Forming Quality

如表1 所示，樁基孔深在22.00～24.63 m 的范圍內(nèi)波動(dòng)，垂直度在0.01%～0.06%的范圍內(nèi)波動(dòng)，沉渣厚度在75.89～101.05 mm 的范圍內(nèi)波動(dòng)。由此看出，沉渣厚度與樁基孔深有關(guān)，樁基孔的深度越深，沉渣厚度越薄。而垂直度與樁基孔深、沉渣厚度均無關(guān)，樁基放入樁基孔中后，垂直度誤差較小，可以保證樁基的穩(wěn)定性。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，樁基垂直度誤差較小，垂直度檢測合格。在此基礎(chǔ)上，本文利用低應(yīng)變反射波法，對(duì)樁基整體質(zhì)量進(jìn)行檢測，如圖4所示。

圖4 樁基低應(yīng)變反射波法波形Fig.4 Waveform of Low Strain Reflected Wave Method for Pile Foundation

如圖4 所示，圖中為樁基未經(jīng)過處理之前的整體質(zhì)量波形，其波動(dòng)范圍主要集中在樁基深度0～15 m、25～35 m。在樁基深度范圍為0～15 m 時(shí)，波速波動(dòng)范圍在-0.20～0.40 m/s，主要由于樁底圍巖為泥質(zhì)砂巖，其波阻抗與混凝土波阻抗相似，樁底反射情況不明顯，導(dǎo)致波形整體不規(guī)整。在樁基深度范圍為25～35 m時(shí)，波速波動(dòng)范圍在-0.15～0.15 m/s，主要是在此范圍內(nèi)的砂土地層受到含水層的影響，使樁身混凝土強(qiáng)度降低，偽造了“相對(duì)離析”現(xiàn)象，導(dǎo)致波形不規(guī)整。經(jīng)過樁基處理之后，樁基的整體波形情況如圖5所示。

圖5 樁基處理后的波形Fig.5 Waveform after Pile Foundation Treatment

如圖5所示，經(jīng)過樁基處理之后，僅在樁基深度為0～5 m 處，波速存在-0.20～0.40 m/s 的波動(dòng)范圍。其余5～35 m 的樁基深度處，波形均為穩(wěn)定的態(tài)勢，波速始終為0.00 m/s，此時(shí)樁基檢測效果更佳。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，本文隨機(jī)選取出ZJ_1～ZJ_8 共8個(gè)樁基，將其原始樁位坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并與本文設(shè)計(jì)的基于低應(yīng)變反射波法的建筑工程樁基檢測技術(shù)，檢測出的樁位坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)用結(jié)果如表2所示。

如表2 所示，本文隨機(jī)選取的ZJ_1～ZJ_8 個(gè)樁基中，樁基樁長均為7.50 m，樁徑均為1.20 m，可以保證樁基檢測技術(shù)分析的準(zhǔn)確性，樁位偏差單位為μm。本文通過式⑺計(jì)算出各個(gè)樁基的樁位原始坐標(biāo)，將本文設(shè)計(jì)的基于低應(yīng)變反射波法的建筑工程樁基檢測技術(shù)檢測出的樁位坐標(biāo)與其進(jìn)行對(duì)比之后，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的檢測技術(shù)檢出的樁位坐標(biāo)與原始樁位坐標(biāo)僅相差0.01 μm 左右。其中，樁基編號(hào)ZJ_3、ZJ_7 的樁位偏差為0，與原始樁位坐標(biāo)保持一致。因此，使用本文設(shè)計(jì)的檢測技術(shù)，可以有效地檢測出樁位坐標(biāo)，檢查誤差較小，達(dá)到本文的研究目的。

表2 應(yīng)用結(jié)果Tab.2 Application Results

3 結(jié)語

樁基是建筑工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，按照受力原理可以分為柱狀樁與摩擦樁，可以根據(jù)建筑物實(shí)際情況選取，為建筑物提供更加符合需求的樁基施工環(huán)境［10］。由于樁基工程屬于隱蔽工程，經(jīng)常會(huì)受到施工條件與周圍地質(zhì)的因素影響，出現(xiàn)較多的質(zhì)量問題，影響建筑物的安全施工。因此，本文首先采用低應(yīng)變反射波法對(duì)浮漿進(jìn)行處理，使樁基裸露出新鮮密實(shí)的混凝土面；在基于低應(yīng)變反射波法對(duì)樁基缺陷位置進(jìn)行確定；確定了樁基缺陷位置之后，選擇出合適的樁基檢測傳感裝置對(duì)樁基樁位的偏差進(jìn)行檢測，最大限度地保證樁基施工穩(wěn)定性。