反射波法在人工挖孔樁樁端持力層巖土性狀分析中應(yīng)用探討

程小順（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022）

反射波法在人工挖孔樁樁端持力層巖土性狀分析中應(yīng)用探討

程小順
（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022）

通過某工程人工挖孔樁低應(yīng)變反射波法實測結(jié)果與鉆芯法檢測結(jié)果對比分析，認為低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果可定性判斷人工挖孔灌注樁樁端持力層巖土性狀，巖體的縱波速度與巖石的完整程度、巖石風(fēng)化程度等因素關(guān)系密切[1~2]，本文利用低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果計算了人工挖孔灌注樁持力層縱波速度，利用計算的持力層縱波速度對人工挖孔樁持力層巖土性狀進行了探討。

低應(yīng)變反射波法檢測;樁端持力層巖土性狀;視反射系數(shù);完整性指數(shù)Kv

0　引言

低應(yīng)變反射波法檢測混凝土樁的完整性, 效果較好，已為大量檢測實例證實。對人工挖孔灌注樁,在地質(zhì)條件復(fù)雜, 豐富的地下水,施工難度大，施工人員技術(shù)素質(zhì)不足等情況下, 樁底可能出現(xiàn)虛土、巖石破碎、軟軟夾層等問題。一般情況下，人工挖孔灌注樁的承載力主要由樁端持力層的巖土性狀決定，因此，對于人工挖孔灌注樁，樁端持力層巖土性狀是否滿足設(shè)計要求尤為重要。

1　低應(yīng)變反射波法檢測原理

當(dāng)樁長遠大于樁徑時，基樁可視為一維彈性桿且假定樁身材料是各向同性的。當(dāng)樁頂受一激振力,樁頂就會產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波沿樁身向下傳播, 在遇到波阻抗差異界面, 就會發(fā)生透射和反射。設(shè)應(yīng)力波從介質(zhì)Ⅰ進入介質(zhì)Ⅱ時，產(chǎn)生的速度反射波，其速度反射波大小由下式確定：

式中 Vi為入射波。

Vr為反射波。

Z1為介質(zhì)Ⅰ廣義波阻抗，Z1=ρ1C1A1。

Z2為介質(zhì)Ⅱ廣義波阻抗，Z2=ρ2C2A2。

反射波的大小極性與波阻抗界面兩側(cè)的介質(zhì)密切相關(guān)，由Z1、Z2的相對變化決定：

⑴ 當(dāng)Z1>Z2時, Vr=Vi( Z1- Z2)/( Z1+Z2) >0, 反射波、入射波同向;

⑵ 當(dāng)Z1

⑶ 當(dāng)Z1=Z2時, Vr=Vi( Z1- Z2)/( Z1+Z2) =0, 沒有反射波。

人工挖孔灌注樁樁底與持力層是一個天然的波阻抗界面，因此，對樁底反射波特征進行分析, 就可確定Z1、Z2的相對變化,進而對樁端持力層的巖土性狀進行定性分析。

為了進一步持力層的巖土性狀，本文試圖利用低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果，近似計算持力層縱波波速C2，巖石完整性系數(shù)Kv,判斷持力層巖石完整性。

把（1）式變換成：Vr=F·ViF=( Z1-Z2) /( Z1+Z2)

F：反射系數(shù)。

很明顯，反射系數(shù)只與樁身材料和樁端持力層的巖土性狀有關(guān)。樁身的波阻抗Z1=ρ1C1A1可以通過低應(yīng)變檢測結(jié)果進行計算，同時反射波系數(shù)也可以通過低應(yīng)變測試的曲線入射波強度和反射波強度進行計算，因此，樁端持力層的波阻抗Z2可以通過Z2= Z1（1-F）/(1+F)計算。

假設(shè)A1=A2,則C2=ρ1C1（1-F）/ (1+F)/ ρ2。C1、F可利用低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果確定，ρ1根據(jù)混凝土強度確定，ρ2采用巖石天然容度，利用C2=ρ1C1（1-F）/(1+F)/ ρ2，計算持力層的縱波波速，推算巖石完整性指數(shù)Kv，判斷持力層巖石完整性。

人工挖孔灌注樁并非理想彈性介質(zhì)，由于在樁頂接收反射波信號，樁底反射波有一定衰減，且受樁周土影響，因此，利用實測曲線的入射速度波強度與速度反射波強度比計算的反射系數(shù)F并不是波阻抗界面真的反射系數(shù)，為了區(qū)別，稱為視反射系數(shù)，在同一工地，樁土條件相近情況下，由此產(chǎn)生的偏差是可以接受的。

2　工程實例分析

2.1工程概況

某工地24#樓，基礎(chǔ)采用人工挖孔樁灌注樁，布樁77根，樁徑900mm，樁長5.18～6.75m，樁身設(shè)計強度等級C30，嵌入⑤2層不小于500mm，設(shè)計單樁豎向極限承載力9000kN。

⑤2層為白堊系中風(fēng)化砂巖，巖石堅硬；天然容重25.1～26.5kN/ m3，平均25.6kN/m3；飽和狀態(tài)抗壓強度33.7～52.8MPa，平均43.0MPa。

2.2樁端持力層巖土性狀分析

工程驗收試驗時，采用樁承載力自平衡法深層平板載荷試驗，檢測單樁極限承載力，低應(yīng)變反射波法檢測樁身質(zhì)量。在承載力檢測時發(fā)現(xiàn)一根樁豎向極限承載力僅3975kN，遠小于設(shè)計要求。通過對低應(yīng)變資料分析，造成承載力嚴(yán)重不足的原因可能是持力層的巖土性狀不滿足設(shè)計要求。為了消除工程隱患，確保建筑安全，全面分析低應(yīng)變資料，選擇部分有代表性的樁（包括承載力不足的試驗樁）進行了鉆芯法檢測，鉆芯法檢測結(jié)果見表1。

表1　鉆芯法檢測結(jié)果一覽表Table 1 Detection results by drilled core method

從鉆芯檢測結(jié)果看，持力層巖土性狀大致可分為三種情況：①基本正常;②巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育、巖石稍破碎;③巖石破碎嚴(yán)重。低應(yīng)變和鉆芯檢測結(jié)果見圖1~3，承載力不足試驗樁低應(yīng)變和鉆芯檢測結(jié)果見圖4。

圖1～圖4表明：低應(yīng)變反射波法實測曲線都見有同向反射波，反射波強度由基本正常情→巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育、巖石稍破碎→巖石破碎嚴(yán)重依次越來越強，這說明樁身波阻抗大于持力層波阻抗，且持力層波阻抗由基本正常情→巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育、巖石稍破碎→巖石破碎嚴(yán)重依次越來越小，可以判斷持力層巖土性狀越來越差。

從圖1～圖4只能得出定性結(jié)果，持力層性狀究竟如何？首先，根據(jù)低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果、樁身設(shè)計強度和工程勘探等資料，計算了持力層波速。 巖石波速與巖石單軸天然抗壓強度有關(guān)[3]，依據(jù)本工地地質(zhì)勘探資料和相似工地實測結(jié)果，本場地巖石波速取3650m/s,計算了巖體完整性指數(shù)Kv，并根據(jù)Kv與定性劃分的巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系[4]，對持力層巖土性狀進行了劃分，結(jié)果見表2。

對比表1與表2，利用低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果對持力層巖土性狀的判斷與鉆芯法檢測結(jié)果基本一致。

圖1　基本正常情況低應(yīng)變反射波法實測曲線Fig.1 Measured curve of low strain by reflection wave method under basically normal conditions

圖2　巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育、巖石稍破碎情況低應(yīng)變反射波法實測曲線Fig.2 Measured curves of low strain by reflection wave method in case of rock joint，fissure development and rock slight breakage

圖3　巖石破碎嚴(yán)重情況低應(yīng)變反射波法實測曲線Fig.3 Measured curve of low strain of rock breakage by reflection wave method

圖4　承載力不足試驗樁情況低應(yīng)變反射波法實測曲線Fig.4 Measured curve of low strain of test pile with insufficient bearing capacity by reflection wave method

表2　巖體完整性指數(shù)Kv計算結(jié)果一覽表Table 2 Calculation results of rock mass intactness index Kv

3　結(jié)論

（1）低應(yīng)變反射波法對嵌巖人工挖孔灌注樁進行檢測時，樁底反射波的辨認很重要，樁底反射波強弱與樁端持力層巖土性狀（巖石風(fēng)化程度、巖石完整性）有密切關(guān)系。測試時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計的樁端持力層巖土性狀和反射波的強度，對樁端持力層作出初步判斷，一般情況，樁底反射波越強，持力層完整性越差。

（2）通過對低應(yīng)變反射波法檢測資料深入分析，結(jié)合設(shè)計和工程勘察資料，可以計算人工挖孔灌注樁持力層縱波速度和巖石完整性指數(shù)，根據(jù)完整性指數(shù)可持力層的完整性進一步劃分，得出更準(zhǔn)確結(jié)果，為指導(dǎo)工程施工依據(jù)。

（3）鉆芯法檢測是一個比較直觀的方法，但鉆芯法有不足一面，如設(shè)備笨重，施工時間長，費用高，還有 “一孔之見”等局限性。因此，在樁數(shù)比較多，工期比較緊的情況下，利用低應(yīng)變反射波法對樁端持力層巖土性狀進行分析判斷是一個不錯的選擇。

[1]吳慶增.超聲波檢測技術(shù)在巖石可鉆性分級中的應(yīng)用探討[J].探礦工程，1982,(2).

[2]劉盛東.根據(jù)縱波速度估計砂巖的巖石學(xué)參數(shù)[J].安徽地質(zhì)，1996,(1).

[3]王子江.巖石（體）波速與強度的宏觀定量關(guān)系研究[J].鐵道工程學(xué)報，2011,10(10).

[4]GB/T 50218-2014，工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].

diSCuSSion of APPliCAtion of refleCtion WAve method to AnAlySiS of ChArACterS of roCK And Soil of beArinG lAyer At the end of Pile duG by mAn PoWer

ChenG xiao-shun
( Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province, Hefei ,Anhui 230022, China)

By comparison of measured results by reflection wave method with detection results by drilled core method of low strain of man power-dug hole pile of a construction, this paper concluded that reflection wave method detection result of low strain can qualitatively be used for judging characters of rock and soil in bearing layer at the end of man power-dug hole grouting pile, and longitudinal wave velocity of rock mass is closely related to intactness of rock and weathering degree of rocks[1,2]

low strain detection by reflection wave method; characters of rock and soil in pile-end bearing layer; apparent reflection coefficient; intactness index Kv

P631.425

A

1005－6157（2016）01－071－4

2015-09-10

程小順（1962-），男，安徽懷寧人，高級工程師，現(xiàn)主要從事工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)工作。