摘要：低應(yīng)變反射波法具有快速、高效、準(zhǔn)確的檢測特點，本文結(jié)合工程實例，闡述了低應(yīng)變反射波法檢測原理、檢測適用情況及檢測現(xiàn)場注意事項，對檢測結(jié)果進行分析總結(jié)。
　　關(guān)鍵詞：低應(yīng)變反射波法；原理；結(jié)果分析；樁基檢測
　　1工程概況
　　某住宅樓基樁檢測工程的基樁均為CFG樁,設(shè)計有效樁長13.5m,樁徑500mm,樁間距分1900mm、2000mm、2050mm和2085mm不等。該場地在勘探深度內(nèi),自上而下分為,上部為厚度不等的人工填土,0～5m為沖積粉土、粉質(zhì)粘土層,5～18m為Q4-2靜水或緩流水沉積富有機質(zhì)的粉土、粉質(zhì)粘土層,18～28m為Q4-1沖積中細砂層,28～49m為Q3沖積粉土、粉質(zhì)粘土和粉細砂層,49m以下為Q2沖積粉土、粉質(zhì)粘土層。
　　2檢測原理
　　結(jié)合實際工程經(jīng)驗及理論分析,筆者認為低應(yīng)變反射波法在樁基檢測過程中最大的優(yōu)點在于其檢測效率較其他檢測方法高。目前,隨著一維波動理論在理論研究中的運用以及試驗室中對模型樁的試驗檢測,低應(yīng)變反射波法檢測樁基質(zhì)量的準(zhǔn)確性也不斷提高。
　　低應(yīng)變反射波法又叫應(yīng)力波法,是以手錘或力棒敲擊樁頂,給樁一定的能量,產(chǎn)生一縱向應(yīng)力波,該應(yīng)力波沿樁身向下傳播,由傳感器(速度型或加速度型)拾取樁身缺陷及不同界面的反射信號,通過檢測和分析應(yīng)力波在樁身中的傳播歷程,便可分析出樁基的完整性,并根據(jù)樁身突然變化界面時(如:樁底沉渣過厚、樁身夾泥、斷裂、擴徑或縮徑等)所產(chǎn)生的反射和透射波,來確定樁身缺陷性質(zhì),估算樁長或缺陷位置,且根據(jù)應(yīng)力波在樁身中的傳播速度來推斷混凝土的強度(見圖2-1)。
　　
　　圖2-1低應(yīng)變反射波法現(xiàn)場檢測系統(tǒng)圖2-2土阻力波和阻抗變化對波傳播的影響
　　由于目前工程中的樁基大多為混凝土樁,樁的長度遠大于樁的直徑,并且經(jīng)試驗表明,混凝土材料對應(yīng)力波的影響很小,而樁周土阻力對應(yīng)力波的衰減影響較大(如圖2-2所示),因此可以將樁簡化為一維彈性桿件,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:
　　=E•ε(1)
　　或F=A•E•ε(2)
　　式中:E———樁的彈性模量;
　　A———樁身橫截面積。
　　土阻力模型認為在動荷載作用下,樁土的總阻力R由靜土阻力Rs和動阻力Rd組成。由于低應(yīng)變試驗沖擊能量小,所激發(fā)的樁周土阻力也就很小,樁土體系變形在彈性范圍內(nèi),因此可以假設(shè)凈土阻力Rs與樁的質(zhì)點位移u成正比,動土阻力Rd與樁的質(zhì)點速度V成正比,即:
　　R=Rs+Rd
　　uk•u
　　J•V
　　采用上述樁土體系模型,假設(shè)樁長為L,橫截面積為A,樁的彈性模量為E,質(zhì)量密度為ρ,可將樁周土阻力簡化為沿樁軸線分布的線性力。取樁軸線向下方向為x軸正方向,質(zhì)點速度向下為正,壓應(yīng)力也為正。若樁變形時平截面假定成立,則樁中各運動參量只是深度x和時間t的函數(shù),即有位移u=u(x,t),速度V=V(x,t),加速度a=a(x,t),力F=F(x,t),應(yīng)變ε=ε(x,t)。于是可以推導(dǎo)出樁的一維波動方程為:
　　
　　式中,R=R(x,t)為沿樁軸線單位長度的土阻力;為樁的彈性波速。可以使用特征線法和離散數(shù)值法求解該波動方程,這即為低應(yīng)變動力測樁中使用的反射波法。
　　3檢測適用情況
　　根據(jù)一維桿件理論,樁頂處只要有足夠能量的激勵作用其上,均能接受到反射回來的波信號,即低應(yīng)變法適用于各種類型的混凝土灌注樁的質(zhì)量檢測。但是現(xiàn)場檢測及試驗室模型樁試驗研究的結(jié)果表明,當(dāng)樁基直徑過大或樁基長度較長時,低應(yīng)變反射波法檢測樁基質(zhì)量的過程中激勵的能量較難到達樁底,即較難接收到清晰可辨的樁底反射信號。關(guān)于低應(yīng)變法檢測樁基質(zhì)量的適用情況,國內(nèi)尚無統(tǒng)一的認識,這是由于不同的現(xiàn)場情況會影響到低應(yīng)變法檢測的結(jié)果。本文根據(jù)長期以來的樁基檢測經(jīng)驗及試驗室模型樁試驗,得出以下幾點結(jié)論:
　　a)就樁長和樁徑而言,當(dāng)樁基長度小于40m,樁徑在2m以內(nèi)時,通常能接收到清晰的缺陷反射信號及樁底反射信號(當(dāng)缺陷程度較大而使力波在缺陷處產(chǎn)生較大衰減時也難以接收到樁底反射信號);
　　b)當(dāng)樁周地質(zhì)情況復(fù)雜,即地質(zhì)情況隨深度而多變時,采用的應(yīng)變法檢測樁基質(zhì)量的準(zhǔn)確性會降低,究其原因是樁周地質(zhì)情況發(fā)生突變,即土阻抗發(fā)生變化時,同樣會引起力波因土阻抗變化而產(chǎn)生反射,易與缺陷反射混淆;
　　c)對于嵌巖樁和樁底為巖質(zhì)的摩擦樁,可能會出現(xiàn)這樣的情況:由于樁底巖質(zhì)地層密度與樁身混凝土接近,因而兩者的波阻抗相近,此時當(dāng)力波傳遞到樁底時不會發(fā)生反射而是繼續(xù)向下傳播,直至衰減為零;
　　d)對于變截面樁基的檢測,不易采用低應(yīng)變法,原因是樁基的截面變化會影響力波的垂直傳播及反射,對波形的判別產(chǎn)生較大干擾。
　　以上幾點結(jié)論并不能概括低應(yīng)變法檢測樁基質(zhì)量的所有情況,僅為筆者從實踐經(jīng)驗中總結(jié)出的一些典型情況。
　　4檢測結(jié)果分析
　　4.1對于無完整性缺陷的樁基波形分析
　　對于無完整性缺陷的樁基而言,當(dāng)激勵作用在樁頂時,傳感器首先會接收到一個清晰的入射波,由于樁身無缺陷,即不會產(chǎn)生樁身的力波反射,此時力波按照一維彈性桿件傳遞至樁底,由于樁底地層與樁身混凝土之間的阻抗發(fā)生變化,會產(chǎn)生一個反射波(樁底地層阻抗較樁身大時反射波波形與入射波反相,反之同相)。
　　4.2缺陷樁分析
　　在利用低應(yīng)變反射波法檢測樁基質(zhì)量的過程中,常見的缺陷類型有:縮徑、離析、裂縫、蜂窩、空洞、夾泥、斷樁等,鑒于對樁基承載力的影響情況,一般不將擴徑作為缺陷處理。本文為探討低應(yīng)變反射波的形式,將擴徑反射與其他缺陷反射一同羅列以便于比較分析,如圖4-2所示。
　　
　　圖4-2缺陷樁反射波圖
　　由圖4-2可知:
　　a)圖中波形(1)為完整無缺陷樁的時域波形信號,可以看出在樁身長度范圍內(nèi)無異常反射波;
　　b)圖中波形(2)波為淺部存在缺陷的樁基時域波形信號,其特點是:首先會產(chǎn)生一個與入射波同相位的反射波(由缺陷的第一個界面引起),接著有一個與入射波反相位的反射波(由缺陷的第二個界面引起),由于淺部距樁頂距離較近,缺陷反射又可能會產(chǎn)生二次反射(力波在同一缺陷位置發(fā)生兩次反射),第二次反射波形態(tài)與第一次完全相同;
　　c)波形(3)為深部缺陷反射,情況和波形(2)基本相同,只是在接收到樁底反射前無二次缺陷反射;
　　d)波形(4)為樁身出現(xiàn)擴徑時的時域信號,擴徑處的反射波與入射波反相位相同(擴徑面第一次反射),接著有一個與入射波同相位的反射波(擴徑面第二次反射),無論是縮徑還是擴徑,第二次反射的波形形態(tài)都完全相同。
　　斷樁屬于嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷,低應(yīng)變法檢測樁基質(zhì)量的過程中,力波會在斷樁處產(chǎn)生反射并在此處不會繼續(xù)向下傳播或只有很輕微的力波能夠穿過斷樁部位繼續(xù)向下傳播,此時傳感器接收到的信號可能不會表現(xiàn)出入射波、樁底反射波、缺陷反射波三部分,而僅反映出入射波與同入射波同相位的一個反射波。如何判斷此反射波是缺陷反射還是樁底正常反射就需要檢測工程師格外注意,一般來說可以先將此反射波臨時判為“樁底反射”,然后依據(jù)樁頂入射波和“樁底反射波”之間力波傳播的時間計算出樁的長度,若計算所得長度與樁基的設(shè)計長度吻合即可以判為合格樁;若計算長度明顯小于樁基的設(shè)計長度則說明反射發(fā)生在斷樁處。
　　需要特別指出的是,對于圖4-2中波形(2)、(3)反映的缺陷波時域分析圖,縮徑、離析、裂縫、蜂窩、空洞、夾泥都可能出現(xiàn)類似的形態(tài),因此利用低應(yīng)變反射波法判別缺陷的具體類型,就目前的技術(shù)而言尚存在一定的困難,只能根據(jù)實際工程情況及檢測工程師的經(jīng)驗綜合而定。
　　5現(xiàn)場檢測中的注意事項
　　5.1激振問題
　　理論分析和實踐經(jīng)驗表明,激振技術(shù)是反射波法完整性檢測的重要環(huán)節(jié)。在檢測時,通常使用瞬態(tài)激振,最簡單的方法是用手錘或力棒激振。在檢測時提高激振脈沖波的頻率,可以提高分辨率;但高頻波對長樁不易獲得樁底反射,因此應(yīng)該用頻率較低的脈沖波來獲得樁底反射,再用高頻波來檢測樁身上部的缺陷。另外一個要注意的問題是激振的能量要適中,并不是能量越大越好。激振時要干脆、利索,以使每次的激振波形基本一致,有利于對比分析。
　　5.2傳感器與粘結(jié)劑的選擇
　　傳感器是基樁檢測的“眼睛”,它的頻響特性、阻尼大小、靈敏度和動態(tài)范圍等對實測波形的影響非常大。反射波法對傳感器有特殊的要求,因此傳感器的量程范圍和動態(tài)范圍要足夠?qū)?要有較高的靈敏度,有良好的阻尼特性。在通常情況下,我們可用不同特性的傳感器多測幾組曲線,通過對比進一步提高分析精度。
　　在傳感器性能較好的情況下,必須選擇好的粘結(jié)劑,使傳感器與基樁得到較好的耦合。目前常用的粘結(jié)劑有石膏粉、橡皮泥、蛇皮膏、黃油等。此外,有些技術(shù)人員還使用咀嚼后的口香糖作為粘結(jié)劑。在這些粘結(jié)劑中,石膏粉粘結(jié)的耦合頻率較高,而后幾種的耦合頻率較低。應(yīng)該注意的是，當(dāng)樁頭較濕時,采用橡皮泥和蛇皮膏粘結(jié)劑粘結(jié)的效果不是很好,此時最好用石膏粉。
　　5.3樁頭的處理
　　灌注樁的樁頭往往有一定厚度的浮漿,特別是人工挖孔灌注樁,浮漿嚴(yán)重影響檢測效果,因此在檢測時必須將浮漿打掉,同時保持樁頭平整。此外,預(yù)制樁在貫入過程中樁頭可能產(chǎn)生破損,灌注樁在破除浮漿時也可使樁頭產(chǎn)生破碎,使彈性能量快速衰減,嚴(yán)重時使激發(fā)的脈沖波不規(guī)則,嚴(yán)重影響檢測效果,甚至造成誤判現(xiàn)象。因此,在檢測時必須格外注意樁頭情況。
　　5.4輔助資料的收集
　　在進行基樁檢測時應(yīng)該注意輔助資料的收集。輔助資料包括巖土工程勘察報告、灌注樁的成孔工藝、成樁機具和工藝、樁基施工記錄及開挖情況等。結(jié)合輔助資料來分析樁身的缺陷類型。
　　5.5提高信號判讀的正確性
　　現(xiàn)場檢測時,采集的信號是否可靠直接影響樁身完整性的判定。應(yīng)在檢測現(xiàn)場即時對信號是否可靠作出判斷,發(fā)現(xiàn)問題及時查明原因采取措施后重測。觀察不同的傳感器或不同的激振點所獲得的時域波形,主要特征是否相同,特別是頻域共振峰的特征是否相同。在瞬態(tài)激振試驗中,重復(fù)測試的次數(shù)應(yīng)大于4次,若這些特征都是基本相同,說明信號充分反映了樁身情況,分析時就不會導(dǎo)致錯判和漏判。
　　6 結(jié)束語
　　就目前國內(nèi)的技術(shù)狀況及實際工程情況而言,筆者認為,利用低應(yīng)變反射波法簡便、快捷、高效的檢測特點,輔以超聲透射法或鉆芯法檢測,可以避免誤差,提高檢測的精確度，可以在較短的時間內(nèi)完成大量檢測工作,是基樁無損檢測的一種重要方法。