低應(yīng)變法動測判斷基樁樁端性狀探討

■李恒華

（福建省第二公路工程有限公司，福州350001）

低應(yīng)變法動測判斷基樁樁端性狀探討

■李恒華

（福建省第二公路工程有限公司，福州350001）

本文對應(yīng)用低應(yīng)變法動測判斷基樁樁端性狀的可能性和可行性作初步探討，并且應(yīng)用工程實例作引證。筆者強(qiáng)調(diào)，應(yīng)用低應(yīng)變法動測判檢測灌注樁樁底性狀問題有一定難度，但正確使用測試技術(shù)下，能測出樁底反射信號的前提下，綜合其它檢測方法和經(jīng)驗，是能取得較好的應(yīng)用效果，對控制樁基質(zhì)量有一定的作用。

低應(yīng)變法樁端性狀阻抗匹配樁底反射

1 引言

隨著城市建設(shè)高層建筑物和橋梁工程的大量發(fā)展，大口徑長樁的沖鉆孔灌注樁的應(yīng)用也越來越多，這些樁型多為一樁一柱，其工程成本造價高，同時工程對其成樁質(zhì)量的要求也嚴(yán)格，除了對樁身結(jié)構(gòu)完整性要求外，對樁端性狀有一定要求，因為它直接影響基樁承載力的發(fā)揮和建筑物的不均勻沉降。然而樁底虛土或沉渣厚是沖鉆孔灌注樁的致命缺陷。沖鉆孔工程樁其樁端持力層要求必須進(jìn)入堅硬巖層，孔底沉渣厚度指標(biāo)符合≤50mm的規(guī)定。

目前，對這類基樁檢測方法一般采用低應(yīng)變法普測，對部分預(yù)埋測管的基樁進(jìn)行聲波透射法細(xì)測，對檢測中發(fā)現(xiàn)有可疑的樁再作鉆芯法檢測或靜載試驗。那么，對于低應(yīng)變反射波法動測，是否能提供些樁端性狀信息，如樁底定性的虛土或沉渣，持力層軟硬情況等。這些信息對工程質(zhì)量要求來說是非常重要的。

筆者實踐，認(rèn)為只要現(xiàn)場能做好正確測試出每一根樁真實的波形，其實測信號中總會包涵有用的信息。那么，就有可能通過綜合分析方法，提取其中有用信息。

眾所周知，由于實際樁過大過長，樁周土的復(fù)雜性，應(yīng)力波在樁身傳播過程中能造成波能量的衰減，以及樁身砼的阻抗與樁端持力層阻抗的匹配復(fù)雜問題，能使得儀器難以測到樁底反射信號。那么，就很難判斷樁端的性狀問題。但是，有一點不能排除的是，從其物理性質(zhì)講，樁底沉渣的介質(zhì)密度總比樁身砼密度小，其縱波傳播速度自然也比樁身砼的縱波傳播速度低，這樣就有能產(chǎn)生阻抗差異。因此，就可以通過有效的試驗，是有可能獲得相關(guān)的樁底反射信號，也就有可能判斷樁端性狀問題的可能性。

2 理論機(jī)理

2.1 低應(yīng)變法原理

從所周知，低應(yīng)變法是基于一維波動理論為基礎(chǔ)，是假定樁身為一維彈性直桿件，而且是均勻連續(xù)各向同性；樁周土介質(zhì)也是均勻的，對其樁體作用僅為沿樁身向的阻尼力作用。當(dāng)樁身頂部受瞬態(tài)豎向激振而產(chǎn)生豎向彈性應(yīng)力波，沿樁身向下傳播，當(dāng)遇到明顯波阻抗差異界面時，如樁底虛土或沉渣時，將產(chǎn)生反射波。如圖1所示。

圖1 原理圖

根據(jù)波動理論，振速反射系數(shù)寫為：式中，V1——反射縱波幅值；

V0——入射縱波幅值；

ρ1，ρ2——反射上、下界面介質(zhì)質(zhì)量密度；

C1，C2——反射上、下界面介質(zhì)的縱波速度；

A1，A2——反射上、下界面的截面積；

ρ1C1A1，ρ2C2A2——反射上下界面介質(zhì)的波阻抗。

由上式可見，當(dāng)ρ1C1A1＞ρ2C2A2時，即Rv＞0時，則反射波與入射波同相位。這相當(dāng)于樁底有虛土或沉渣狀況；

當(dāng)ρ1C1A1＜ρ2C2A2時，即Rv＜0時，則反射波與入射波反相位。這相當(dāng)于樁底擴(kuò)徑，樁端嵌固良好（沒有虛土或沉渣）。

2.2 樁底反射波特征

（1）當(dāng)樁底存在虛土或沉渣時，由于其波阻抗比樁身混凝土的波阻抗低，則振速反射系數(shù)為正值，則樁底反射波與樁頂入射波相位相同；反之，當(dāng)樁底不存在虛土或沉渣時，也就是樁底持力層嵌固良好時，則硬持力層波阻抗比樁身混凝土的波阻抗高，振速反射系數(shù)為負(fù)值，樁底反射波與樁頂入射波相位相反。因此，可根據(jù)反射波的相位判斷樁底持力層軟硬情況或虛土沉渣的存在。

（2）當(dāng)樁底存在虛土或沉渣時，其介質(zhì)密度和縱波傳播速度變低，使波的高頻成分被吸收，能量衰減，樁底反射信號的視頻率明顯變低，由于波阻抗降低，振速反射系數(shù)增大，反射波幅值隨之增大，并且振幅大小與沉渣的密度及厚度有關(guān)，沉渣密度低，厚度大，則反射波幅值也大。因此，可根據(jù)反射波幅值判定樁底沉渣狀況。

（3）由于樁底虛土沉渣的影響，使得應(yīng)力波在其中傳播的有效樁長比實際的施工樁長變短，則使得樁的平均波速偏高，虛土、沉渣越厚，波速偏高越大。在實際應(yīng)用中應(yīng)給予注意。因此根據(jù)波速可定性判斷有效樁長情況。

3 工程實例及分析

3.1 實例1：某住宅樓工程樁

樁基礎(chǔ)采用沖（鉆）孔灌注樁樁徑700～800mm，樁長14.50～28.4m,樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，砼強(qiáng)度C25。該場地土層：雜填土0～1.8m,粘土0.6～1.0m,游泥5.5～30.1,強(qiáng)風(fēng)化花崗巖0.4～3.2m,中風(fēng)化花崗巖揭示6.8m。該場地有兩根靜載試驗情況見表1。

表1 某住宅樓工程樁靜載試驗結(jié)果

25#基樁反射波形曲線及靜載試驗Q-s曲線，如圖2、圖3所示?？梢?，波形規(guī)則，樁底反射波有明顯正相位，判斷樁身為Ⅰ類型，但對于中風(fēng)化持力層的樁，應(yīng)該不會出現(xiàn)正相位的樁底反射波。這說明該樁底有沉渣或虛土存在，而靜載試驗結(jié)果極限承載力達(dá)不到設(shè)計要求4000kN。

圖3 25#基樁靜載試驗Q-s曲線圖

122#基樁反射波形曲線及靜載試驗Q-s曲線，如圖4、圖5所示。樁底反射波為明顯的負(fù)相位，樁底無沉渣或虛土，嵌固良好，靜載試驗?zāi)苓_(dá)到設(shè)計極限承載力4000kN。

3.2 實例2：某公路A8標(biāo)段高架橋14#基樁

樁型為鉆孔灌注樁，樁徑Φ1200mm，樁長為20.06m,砼強(qiáng)度C25,設(shè)計持力層為中風(fēng)化花崗巖。

圖2 25#基樁低應(yīng)變動測波形圖

14#基樁低應(yīng)變動測波形如圖6所示。波列干凈、波形規(guī)則，樁底反射波正相位反射，波幅明顯。判斷為樁身完整樁Ⅰ類，但是，設(shè)計樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，應(yīng)屬于嵌巖性質(zhì)的樁。根據(jù)理論，其正常波形，樁底反射信號應(yīng)該是負(fù)相位。而現(xiàn)在波形是正相位反射，這顯然是樁端嵌固不良，也就是說，樁端有沉渣或虛土較厚所致。

聲波透射法測試結(jié)果表明，樁底附近聲速明顯降低，與樁底附近存在虛土或沉渣有關(guān)。

鉆芯法驗證結(jié)果：樁身砼芯樣從0～19.97m為連續(xù)完整，呈長圓柱狀，芯樣表面光滑平整，骨料分布均勻，砼膠結(jié)緊密。但是樁底見到以泥粉細(xì)砂石為主的虛土沉渣100mm。鉆進(jìn)在20.07～22.95m,有2.88m厚強(qiáng)風(fēng)化巖。鉆進(jìn)孔深到22.95～23.04m,才取到90mm的中風(fēng)化花崗巖芯樣。鉆芯法也有力驗證了低應(yīng)變法判斷該基樁樁底虛土沉渣偏厚的論斷是正確。

3.3 實例3：某公路交叉口天橋1#基樁

該基樁樁型也是鉆孔樁，樁徑Φ1000㎜，樁長14.12m，樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖。

1#基樁低應(yīng)變動測波形如圖7所示。從波形可見，該樁樁身質(zhì)量完好，但在11m附近開始有阻抗變化，正相位波形反射，樁底反射波幅較大，綜合分析認(rèn)為樁底有較厚沉渣，嵌固不良，建議取芯驗證。

聲波透射檢測結(jié)果顯示，在11.50～12.40m深處有聲速降低。由于聲測管埋設(shè)深度限制，沒有能測到樁底位置情況。

圖4 122#基樁低應(yīng)變動測波形圖

圖5 122#基樁靜載試驗Q-s曲線圖

圖6 14#基樁低應(yīng)變動測波形圖

圖7 1#基樁低應(yīng)變動測波形圖

鉆芯法檢測結(jié)果：樁底沉渣厚0.9m，證實低應(yīng)變動測判斷正確。

4 結(jié)論

鉆孔灌注樁多是大直徑長樁，而且多屬嵌巖樁類型，持力層多為中風(fēng)化巖層，工程應(yīng)用上多一柱一樁。對于該類型樁檢測，樁身結(jié)構(gòu)完整性評價，也應(yīng)包括樁端性狀評價，也就樁底沉渣或樁端持力層嵌固情況評價是很重要的。

目前對灌注樁采用低應(yīng)變動測普測，聲波透射法配合部分樁細(xì)測，采用鉆芯法核驗樁端性狀，靜載荷試驗檢驗承載力是合理的檢測程序，能取得較好檢測的效果。應(yīng)用低應(yīng)變法動測判檢測灌注樁樁底性狀問題有一定難度，但正確使用測試技術(shù)下，能測出樁底反射信號的前提下，綜合其它檢測方法和經(jīng)驗，是能取得較好的應(yīng)用效果，對控制樁基質(zhì)量有一定的作用。

[1]劉漢龍.應(yīng)用低應(yīng)變動測檢測樁長問題探討.土動力學(xué)與巖土地震工程，中國建筑工業(yè)出版社.

[2]應(yīng)用低應(yīng)變動測判斷樁端性狀探討.2004年全國基樁檢測技術(shù)研討會暨第13屆PDI用戶會論文集.