摘要：低應(yīng)變反射波法具有快速、高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)特點(diǎn)，本文結(jié)合工程實(shí)例，闡述了低應(yīng)變反射波法檢測(cè)原理、檢測(cè)適用情況及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)注意事項(xiàng)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)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(cè)
　　1工程概況
　　某住宅樓基樁檢測(cè)工程的基樁均為CFG樁,設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)13.5m,樁徑500mm,樁間距分1900mm、2000mm、2050mm和2085mm不等。該場(chǎng)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(jī)質(zhì)的粉土、粉質(zhì)粘土層,18～28m為Q4-1沖積中細(xì)砂層,28～49m為Q3沖積粉土、粉質(zhì)粘土和粉細(xì)砂層,49m以下為Q2沖積粉土、粉質(zhì)粘土層。
　　2檢測(cè)原理
　　結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及理論分析,筆者認(rèn)為低應(yīng)變反射波法在樁基檢測(cè)過(guò)程中最大的優(yōu)點(diǎn)在于其檢測(cè)效率較其他檢測(cè)方法高。目前,隨著一維波動(dòng)理論在理論研究中的運(yùn)用以及試驗(yàn)室中對(duì)模型樁的試驗(yàn)檢測(cè),低應(yīng)變反射波法檢測(cè)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(hào),通過(guò)檢測(cè)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(shí)(如:樁底沉渣過(guò)厚、樁身夾泥、斷裂、擴(kuò)徑或縮徑等)所產(chǎn)生的反射和透射波,來(lái)確定樁身缺陷性質(zhì),估算樁長(zhǎng)或缺陷位置,且根據(jù)應(yīng)力波在樁身中的傳播速度來(lái)推斷混凝土的強(qiáng)度(見(jiàn)圖2-1)。
　　
　　圖2-1低應(yīng)變反射波法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)圖2-2土阻力波和阻抗變化對(duì)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(zhǎng)度遠(yuǎn)大于樁的直徑,并且經(jīng)試驗(yàn)表明,混凝土材料對(duì)應(yīng)力波的影響很小,而樁周土阻力對(duì)應(yīng)力波的衰減影響較大(如圖2-2所示),因此可以將樁簡(jiǎn)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(rèn)為在動(dòng)荷載作用下,樁土的總阻力R由靜土阻力Rs和動(dòng)阻力Rd組成。由于低應(yīng)變?cè)囼?yàn)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(diǎn)位移u成正比,動(dòng)土阻力Rd與樁的質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)為L(zhǎng),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(jiǎn)化為沿樁軸線分布的線性力。取樁軸線向下方向?yàn)閤軸正方向,質(zhì)點(diǎn)速度向下為正,壓應(yīng)力也為正。若樁變形時(shí)平截面假定成立,則樁中各運(yùn)動(dòng)參量只是深度x和時(shí)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(dòng)方程為:
　　
　　式中,R=R(x,t)為沿樁軸線單位長(zhǎng)度的土阻力;為樁的彈性波速�？梢允褂锰卣骶�法和離散數(shù)值法求解該波動(dòng)方程,這即為低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)樁中使用的反射波法。
　　3檢測(cè)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(lì)作用其上,均能接受到反射回來(lái)的波信號(hào),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(cè)。但是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及試驗(yàn)室模型樁試驗(yàn)研究的結(jié)果表明,當(dāng)樁基直徑過(guò)大或樁基長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁基質(zhì)量的過(guò)程中激勵(lì)的能量較難到達(dá)樁底,即較難接收到清晰可辨的樁底反射信號(hào)。關(guān)于低應(yīng)變法檢測(cè)樁基質(zhì)量的適用情況,國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),這是由于不同的現(xiàn)場(chǎng)情況會(huì)影響到低應(yīng)變法檢測(cè)的結(jié)果。本文根據(jù)長(zhǎng)期以來(lái)的樁基檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)室模型樁試驗(yàn),得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:
　　a)就樁長(zhǎng)和樁徑而言,當(dāng)樁基長(zhǎng)度小于40m,樁徑在2m以內(nèi)時(shí),通常能接收到清晰的缺陷反射信號(hào)及樁底反射信號(hào)(當(dāng)缺陷程度較大而使力波在缺陷處產(chǎn)生較大衰減時(shí)也難以接收到樁底反射信號(hào));
　　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(shí),采用的應(yīng)變法檢測(cè)樁基質(zhì)量的準(zhǔn)確性會(huì)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(shí),同樣會(huì)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(duì)于嵌巖樁和樁底為巖質(zhì)的摩擦樁,可能會(huì)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(shí)當(dāng)力波傳遞到樁底時(shí)不會(huì)發(fā)生反射而是繼續(xù)向下傳播,直至衰減為零;
　　d)對(duì)于變截面樁基的檢測(cè),不易采用低應(yīng)變法,原因是樁基的截面變化會(huì)影響力波的垂直傳播及反射,對(duì)波形的判別產(chǎn)生較大干擾。
　　以上幾點(diǎn)結(jié)論并不能概括低應(yīng)變法檢測(cè)樁基質(zhì)量的所有情況,僅為筆者從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出的一些典型情況。
　　4檢測(cè)結(jié)果分析
　　4.1對(duì)于無(wú)完整性缺陷的樁基波形分析
　　對(duì)于無(wú)完整性缺陷的樁基而言,當(dāng)激勵(lì)作用在樁頂時(shí),傳感器首先會(huì)接收到一個(gè)清晰的入射波,由于樁身無(wú)缺陷,即不會(huì)產(chǎn)生樁身的力波反射,此時(shí)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射波(樁底地層阻抗較樁身大時(shí)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(cè)樁基質(zhì)量的過(guò)程中,常見(jiàn)的缺陷類型有:縮徑、離析、裂縫、蜂窩、空洞、夾泥、斷樁等,鑒于對(duì)樁基承載力的影響情況,一般不將擴(kuò)徑作為缺陷處理。本文為探討低應(yīng)變反射波的形式,將擴(kuò)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(wú)缺陷樁的時(shí)域波形信號(hào),可以看出在樁身長(zhǎng)度范圍內(nèi)無(wú)異常反射波;
　　b)圖中波形(2)波為淺部存在缺陷的樁基時(shí)域波形信號(hào),其特點(diǎn)是:首先會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與入射波同相位的反射波(由缺陷的第一個(gè)界面引起),接著有一個(gè)與入射波反相位的反射波(由缺陷的第二個(gè)界面引起),由于淺部距樁頂距離較近,缺陷反射又可能會(huì)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(wú)二次缺陷反射;
　　d)波形(4)為樁身出現(xiàn)擴(kuò)徑時(shí)的時(shí)域信號(hào),擴(kuò)徑處的反射波與入射波反相位相同(擴(kuò)徑面第一次反射),接著有一個(gè)與入射波同相位的反射波(擴(kuò)徑面第二次反射),無(wú)論是縮徑還是擴(kuò)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(cè)樁基質(zhì)量的過(guò)程中,力波會(huì)在斷樁處產(chǎn)生反射并在此處不會(huì)繼續(xù)向下傳播或只有很輕微的力波能夠穿過(guò)斷樁部位繼續(xù)向下傳播,此時(shí)傳感器接收到的信號(hào)可能不會(huì)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(gè)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(cè)工程師格外注意,一般來(lái)說(shuō)可以先將此反射波臨時(shí)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(shí)間計(jì)算出樁的長(zhǎng)度,若計(jì)算所得長(zhǎng)度與樁基的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度吻合即可以判為合格樁;若計(jì)算長(zhǎng)度明顯小于樁基的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度則說(shuō)明反射發(fā)生在斷樁處。
　　需要特別指出的是,對(duì)于圖4-2中波形(2)、(3)反映的缺陷波時(shí)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(shí)際工程情況及檢測(cè)工程師的經(jīng)驗(yàn)綜合而定。
　　5現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的注意事項(xiàng)
　　5.1激振問(wèn)題
　　理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,激振技術(shù)是反射波法完整性檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)。在檢測(cè)時(shí),通常使用瞬態(tài)激振,最簡(jiǎn)單的方法是用手錘或力棒激振。在檢測(cè)時(shí)提高激振脈沖波的頻率,可以提高分辨率;但高頻波對(duì)長(zhǎng)樁不易獲得樁底反射,因此應(yīng)該用頻率較低的脈沖波來(lái)獲得樁底反射,再用高頻波來(lái)檢測(cè)樁身上部的缺陷。另外一個(gè)要注意的問(wèn)題是激振的能量要適中,并不是能量越大越好。激振時(shí)要干脆、利索,以使每次的激振波形基本一致,有利于對(duì)比分析。
　　5.2傳感器與粘結(jié)劑的選擇
　　傳感器是基樁檢測(cè)的“眼睛”,它的頻響特性、阻尼大小、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等對(duì)實(shí)測(cè)波形的影響非常大。反射波法對(duì)傳感器有特殊的要求,因此傳感器的量程范圍和動(dòng)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(cè)幾組曲線,通過(guò)對(duì)比進(jìn)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(shí),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(shí)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(cè)效果,因此在檢測(cè)時(shí)必須將浮漿打掉,同時(shí)保持樁頭平整。此外,預(yù)制樁在貫入過(guò)程中樁頭可能產(chǎn)生破損,灌注樁在破除浮漿時(shí)也可使樁頭產(chǎn)生破碎,使彈性能量快速衰減,嚴(yán)重時(shí)使激發(fā)的脈沖波不規(guī)則,嚴(yán)重影響檢測(cè)效果,甚至造成誤判現(xiàn)象。因此,在檢測(cè)時(shí)必須格外注意樁頭情況。
　　5.4輔助資料的收集
　　在進(jìn)行基樁檢測(cè)時(shí)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(bào)告、灌注樁的成孔工藝、成樁機(jī)具和工藝、樁基施工記錄及開(kāi)挖情況等。結(jié)合輔助資料來(lái)分析樁身的缺陷類型。
　　5.5提高信號(hào)判讀的正確性
　　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí),采集的信號(hào)是否可靠直接影響樁身完整性的判定。應(yīng)在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)對(duì)信號(hào)是否可靠作出判斷,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)查明原因采取措施后重測(cè)。觀察不同的傳感器或不同的激振點(diǎn)所獲得的時(shí)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(yàn)中,重復(fù)測(cè)試的次數(shù)應(yīng)大于4次,若這些特征都是基本相同,說(shuō)明信號(hào)充分反映了樁身情況,分析時(shí)就不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)判和漏判。
　　6 結(jié)束語(yǔ)
　　就目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)狀況及實(shí)際工程情況而言,筆者認(rèn)為,利用低應(yīng)變反射波法簡(jiǎn)便、快捷、高效的檢測(cè)特點(diǎn),輔以超聲透射法或鉆芯法檢測(cè),可以避免誤差,提高檢測(cè)的精確度，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成大量檢測(cè)工作,是基樁無(wú)損檢測(cè)的一種重要方法。