王乾龍
(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251)
樁基作為一種隱蔽性工程,在我國高速鐵路建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。樁基施工難免會存在樁身質(zhì)量問題,進(jìn)而影響著橋梁的安全性和耐久性[1-2]。低應(yīng)變法是一種半直接的基樁檢測方法[3-4],具有操作方便、高效直觀、費用低等優(yōu)點,在樁基工程質(zhì)量檢測中得以廣泛應(yīng)用[5]。張剛利用低應(yīng)變法對軟土地層中擴徑產(chǎn)生的“良性缺陷”現(xiàn)象進(jìn)行了探討,并提出相應(yīng)解決方案[6];苑志強等對灌注樁常見異常低應(yīng)變曲線的反射特征進(jìn)行了分析[7];趙林杰研究了地質(zhì)效應(yīng)對低應(yīng)變檢測的影響,并考慮了樁周土波阻抗變化對曲線的影響[8];胡在良等對低應(yīng)變法在嵌巖樁中的有關(guān)問題進(jìn)行了分析[9];張智對比分析了聲波透射法與低應(yīng)變法的檢測結(jié)果,認(rèn)為兩種方法相互驗證、補充,可以保證檢測質(zhì)量;陳宗起等研究了嵌巖樁低應(yīng)變檢測的有關(guān)問題;陳輝對低應(yīng)變檢測中的典型缺陷給出了處理措施,并對處理效果做了相關(guān)研究[10-12];苗偉通過灌注樁完整性檢測實例,分析了低應(yīng)變在樁身淺部缺陷檢測中的應(yīng)用效果[13-15]。以往研究多局限于對檢測結(jié)果的理論分析,對復(fù)雜地質(zhì)條件下低應(yīng)變檢測的過程研究較少。以某在建山區(qū)高速鐵路樁基檢測為例,研究復(fù)雜地質(zhì)條件下低應(yīng)變檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性問題。
在樁頂施加一個豎向瞬態(tài)激振,產(chǎn)生的應(yīng)力波在樁身中傳播,當(dāng)樁身波阻抗發(fā)生變化時,將產(chǎn)生反射波,安裝在樁頂?shù)母哽`敏度傳感器接收響應(yīng)信號,對其時間域或頻率域進(jìn)行分析,可識別來自樁身或樁土結(jié)構(gòu)不同位置的反射信息,進(jìn)而判斷樁身完整性[16]。
將基樁視為一維彈性桿件,即滿足L?D,D?λ,其中L為樁長,D為樁徑,λ為應(yīng)力波的波長,并假設(shè)桿體為均質(zhì),忽略桿體內(nèi)外阻尼和基樁表面摩擦力的影響,以及樁周土和桿端各種作用力的影響。
當(dāng)桿體受到瞬態(tài)激勵,根據(jù)力的平衡條件和廣義胡克定律,可以得到應(yīng)力波在桿體中傳播的波動方程
(1)
式(1)中,C為縱向應(yīng)力波的波速,C2=E/ρ,E為桿體的楊氏彈性模量,ρ為均質(zhì)桿體的密度,u為質(zhì)點位移。當(dāng)應(yīng)力波沿桿體傳播遇到廣義波阻抗發(fā)生變化時,會在桿中發(fā)生反射、透射和折射。一般情況下,折射部分的能量可忽略不計,波阻抗差異越大,所產(chǎn)生的反射越強,透射越差。
由邊界連續(xù)條件和牛頓第三定律,有
VI+VR=VT
(2)
A1(σ1+σR)=A2σT
(3)
式(2)中,VI、VR、VT分別為波阻抗分界面處質(zhì)點的入射波、反射波和透射波速度;式(3)中,σI、σR、σT分別為波阻抗分界面處入射波、反射波和透射波的應(yīng)力,A1和A2為桿體的截面積。
在波阻抗發(fā)生變化的界面,根據(jù)動量守恒定律有
ρ1C1A1(VI-VR)=ρ2C2A2VT
或Z1(VI-VR)=Z2VT
(4)
式中,Z1、Z2分別為兩種不同介質(zhì)的廣義波阻抗。
由式(2)和式(4),可推導(dǎo)出
VR=-FVI
(5)
VT=nTVI
(6)
(7)
考慮到透射波與入射波同向,而且透射波在樁身缺陷性質(zhì)和位置的判定中不起作用,這里只對反射波的理論情況進(jìn)行分析。
(1)當(dāng)n>1時,即Z1>Z2,則F<0,此時反射波與入射波同相位。廣義波阻抗是由ρ、A、C三個物理量決定的,一般情況下,物質(zhì)的密度越大,應(yīng)力波在其中的傳播速度也越大(近似成正比關(guān)系)。這里存在兩種情況:
①當(dāng)樁身截面積A保持不變,有ρ1C1>ρ2C2,即樁身存在離析、夾泥、蜂窩、空洞、裂縫或二次澆筑面等,此時雖然反射波與入射波相位相同,但波速值偏低。
②當(dāng)ρ1C1=ρ2C2,即樁身混凝土性質(zhì)保持均質(zhì),而樁身截面積A1>A2,此時樁身發(fā)生縮頸,入射波與反射波相位相同。
(2)當(dāng)n=1時,即Z1=Z2,則F=0,T=1此時樁身中不存在反射信號。一般情況下,樁身混凝土與樁底巖土層存在波阻抗差異,摩擦樁的時程曲線多表現(xiàn)為入射波與樁底反射信號同相位,嵌巖樁則多表現(xiàn)為反相位。
(3)當(dāng)n<1時,即Z1
①當(dāng)樁身截面積A保持不變,此時ρ1C1<ρ2C2,也即是應(yīng)力波由“軟”樁身向“硬”樁身方向傳播(這里的“軟硬”可理解為樁身混凝土強度的不同),如果樁頂浮漿處理不到位,或者用低標(biāo)號的混凝土或砂漿代替正?;炷?,就會出現(xiàn)此類情況。
②當(dāng)ρ1C1=ρ2C2,而樁身截面積A1 以山區(qū)某在建高速鐵路樁基低應(yīng)變法檢測案例為例,對幾種典型檢測曲線進(jìn)行深入剖析,研究低應(yīng)變法在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用效果,并通過開挖法進(jìn)行驗證。 (1)樁身混凝土嚴(yán)重離析 某橋墩4-5號樁,設(shè)計樁長為19.5 m,樁徑為1.5 m,砼等級為C35,樁類型為嵌巖端承樁,地質(zhì)情況如下:0~14.76 m為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,地基基本承載力為σ0=300 kPa;14.76~19.50 m為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,σ0=500 kPa。 圖1 0.8~1.5 m樁身混凝土離析 圖2 樁身離析(無問題部位) 圖3 樁頂1.5 m以下低應(yīng)變曲線 圖1、圖2分別為某嵌巖樁低應(yīng)變反射曲線,由圖1可知,此樁淺部存在缺陷信號,樁底有明顯的嵌巖反相信號;考慮到混凝土速度值偏低,初步判定為樁身離析,經(jīng)開挖,發(fā)現(xiàn)80 cm處樁身局部混凝土嚴(yán)重離析,續(xù)開挖至1.5 m左右,樁身混凝土恢復(fù)正常。由圖2可知,樁身部分混凝土的離析對波形曲線有一定的影響,曲線震蕩、不平滑。經(jīng)處理后,對樁頂1.5 m以下進(jìn)行樁身完整性檢測,測試曲線如圖3所示,樁身完整,無明顯缺陷信號。 (2)樁身淺部存在裂紋 某橋墩4-11#樁設(shè)計樁長為16.5 m,樁徑為1.0 m,樁身類型為摩擦樁,地質(zhì)情況較好,不存在軟弱巖層;圖4是該樁首次檢測時采集的低應(yīng)變曲線(表現(xiàn)為高頻震蕩衰減,似斷樁曲線),考慮到缺陷部位埋深較淺,直接對樁身進(jìn)行開挖,開挖至50 cm左右發(fā)現(xiàn)存在輕微裂紋,鑿除上部混凝土后,對該樁進(jìn)行二次檢測,檢測結(jié)果如圖5所示(樁身完整)。樁頭未鑿除干凈等原因造成了該樁檢測曲線異常。 圖4 0.5 m左右樁身存在輕微裂紋 圖5 處理后的低應(yīng)變反射曲線 (3)樁身局部擴徑造成“良性異?!?/p> 某橋墩9-7號樁設(shè)計樁長為19.5 m,樁徑為1.25 m,混凝土強度等級為C35,地質(zhì)描述:0~10.50 m為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,σ0=350 kPa;10.50~19.50 m為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,σ0=500 kPa。該樁的低應(yīng)變曲線如圖6所示,經(jīng)初步分析,該樁0.50~1.50 m疑似存在缺陷,對該樁進(jìn)行開挖驗證,樁身0.50~1.50 m樁徑局部偏大,表面凹凸不平。結(jié)合施工現(xiàn)場和地質(zhì)情況進(jìn)行分析,施工使用的護(hù)桶偏大加上泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化較嚴(yán)重,造成樁頭處成樁不規(guī)則。 圖6 樁身0.5~1.5 m“良性”擴徑 (4)樁身夾泥 某橋墩8-1號巖溶樁設(shè)計樁長為20.5 m,樁徑為1.0 m,砼強度為C35。地質(zhì)描述:0~6.85 m為硬塑狀粉質(zhì)黏土,σ0=150 kPa;6.58~17.38 m為弱風(fēng)化灰?guī)r,σ0=1 000 kPa;17.38~19.18 m為溶洞;19.18~20.5 m為弱風(fēng)化灰?guī)r,σ0=1 000 kPa。圖7為該樁的低應(yīng)變檢測曲線,由圖7可知,樁身1.8 m處存在嚴(yán)重缺陷反射(缺陷反射為等間距),判定樁身存在斷裂或嚴(yán)重夾泥;開挖至2.0 m時,發(fā)現(xiàn)樁身嚴(yán)重夾泥,鋼筋籠外漏,縱向分布約50 cm,樁身上下混凝土面只有少部分連接在一起。接樁后,對整根樁的完整性進(jìn)行復(fù)測,曲線如圖8所示,綜合判定該樁樁身完整。經(jīng)了解,該缺陷系灌注時淺部塌孔未及時處理所造成。 圖7 2.0~2.5 m樁身嚴(yán)重夾泥 圖8 接樁后低應(yīng)變曲線 (5)樁底嵌巖效果欠佳 某橋墩16-8號樁樁長為9.0 m,樁徑為1.0 m,砼等級為C35,設(shè)計樁型為嵌巖端承樁,地質(zhì)描述:0~9 m為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,σ0=300 kPa。低應(yīng)變檢測曲線如圖9所示,初步分析該樁的樁身完整性良好。對該樁取芯驗證,發(fā)現(xiàn)樁長滿足設(shè)計要求,樁底沉渣較少,但是樁端持力層為強風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖,地基承載力較差,不能滿足樁基礎(chǔ)承載力要求。故重新進(jìn)行了設(shè)計,樁長改為15.5 m(比原設(shè)計長6.5 m,嵌巖2 m),低應(yīng)變檢測曲線如圖10所示。 圖9 樁底嵌巖質(zhì)量欠佳 圖10 補充設(shè)計后低應(yīng)變曲線 (1)對巖溶地區(qū)沖擊成孔的基樁,應(yīng)選擇性地預(yù)埋聲測管,以聲波透射法補充低應(yīng)變法的不足,以更好地保證檢測質(zhì)量。 (2)應(yīng)嚴(yán)格控制灌注樁的砼質(zhì)量、灌注連續(xù)性及灌注時間,對作業(yè)人員做好交底,出現(xiàn)問題及時處理。 (3)對于樁身淺部存在的問題,可直接開挖,取芯驗證樁身質(zhì)量,對存在質(zhì)量問題的樁基,應(yīng)鑿除缺陷部位,接樁后復(fù)測其完整性。對同一地區(qū)、同一類型的檢測曲線,可選擇性地抽取典型曲線,取芯驗證樁身質(zhì)量、樁底沉渣厚度、嵌巖情況等。2.2 實測案例分析
3 預(yù)防策略