淺談低應(yīng)變反射波法結(jié)合聲波透射法或鉆芯法在基樁檢測(cè)的綜合運(yùn)用分析

李強(qiáng)

摘 要：低應(yīng)變反射波法檢測(cè)基樁完整性具有便捷、快速，并且成本較低等特點(diǎn)，在橋梁樁基無(wú)損檢測(cè)中占有一定比例。本文將介紹低應(yīng)變反射波法的原理和通過(guò)三個(gè)工程實(shí)例講解低應(yīng)變反射波法結(jié)合聲波透射法或者鉆芯法進(jìn)行綜合應(yīng)用分析，為工程檢測(cè)人員提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;基樁檢測(cè);低應(yīng)變反射波法

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.154 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

0 引言

在橋梁工程施工中，樁基礎(chǔ)是十分重要的地下隱蔽工程，樁基礎(chǔ)施工工藝復(fù)雜，如果施工質(zhì)量控制不當(dāng)，則容易發(fā)生離析、夾泥、縮徑、斷樁等質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)而影響橋梁結(jié)構(gòu)整體施工質(zhì)量和安全性，因此加強(qiáng)樁基檢測(cè)至關(guān)重要。在《廣東省公路工程基樁檢測(cè)工作實(shí)施意見(jiàn)》中，無(wú)損檢測(cè)的頻率為100%，低應(yīng)變反射波法為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，其檢測(cè)頻率除特殊橋墩外，占到了50%。低應(yīng)變反射波法檢測(cè)具有便捷、快速，并且成本較低等特點(diǎn)。但是低應(yīng)變反射波法的局限性也是較明顯的，低應(yīng)變無(wú)法檢測(cè)出基樁的多個(gè)缺陷，無(wú)樁底反射或者變截面樁無(wú)法檢測(cè)等，這些問(wèn)題都無(wú)法單一的靠低應(yīng)變法就能評(píng)定出樁的完整性，須結(jié)合其他方法進(jìn)行檢測(cè)，綜合評(píng)定才行。本文將結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)例探討低應(yīng)變法結(jié)合聲波透射法或鉆芯法在基樁檢測(cè)的綜合分析。

1 聲波透射法檢測(cè)技術(shù)的基本原理

由于重點(diǎn)是講低應(yīng)變反射波法結(jié)合聲波透射法或鉆芯法檢測(cè)樁基就行綜合分析，這里只是簡(jiǎn)單的介紹一下聲波透射法和鉆芯法的基本原理，將重點(diǎn)介紹低應(yīng)變反射波的原理。聲波透射法檢測(cè)技術(shù)的基本原理：在混凝土內(nèi)，由超聲脈沖發(fā)射源激發(fā)高頻彈性脈沖，該脈沖波在砼內(nèi)傳播過(guò)程中會(huì)有不同的波動(dòng)特征，此波動(dòng)特征由高精度的接收系統(tǒng)記錄。通過(guò)記錄超聲波不同高度、不同側(cè)面的波動(dòng)特征，并經(jīng)過(guò)處理分析就能判斷出檢測(cè)區(qū)內(nèi)砼內(nèi)部缺陷的大小、性質(zhì)和空間位置，并對(duì)砼總體做出評(píng)價(jià)。檢測(cè)區(qū)內(nèi)砼的密實(shí)度參數(shù)可根據(jù)超聲波的初始到達(dá)時(shí)間和波的頻率變化、能量衰減特征以及波形畸變程度等特性獲取。當(dāng)砼內(nèi)存在破損或者不連續(xù)界面時(shí)，超聲波到達(dá)缺陷面形成的波阻抗界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波的反射和透射;當(dāng)砼內(nèi)存在孔洞、蜂窩、松散等嚴(yán)重缺陷時(shí)，將產(chǎn)生波的繞射和散射。聲能被衰減，穿透的聲波信號(hào)的聲時(shí)將會(huì)延長(zhǎng)、波速和振幅因?yàn)樗p而降低、超聲波頻率特別是主頻率也因聲能衰減發(fā)生頻漂等一系列變化。超聲波透射法就是根據(jù)各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)特征值在混凝土中傳播的變化，判定樁身混凝土的完整性并能較準(zhǔn)確地測(cè)定缺陷的位置和大小，以及初步判定缺陷的性質(zhì)，為判定樁基混凝土質(zhì)量等級(jí)提供理論支持[1]。檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖1。

2 鉆芯法原理

鉆芯法原理：鉆芯檢測(cè)法屬于局部破損檢測(cè)法，鉆芯法是直接從樁身鉆取混凝土芯樣和鉆取一定深度的樁底巖土層芯樣進(jìn)行狀態(tài)和強(qiáng)度檢驗(yàn)的半破損現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法。通過(guò)該方法能夠判斷樁身的完整性、混凝土強(qiáng)度、樁基長(zhǎng)度、樁底沉渣以及持力層的性狀能否達(dá)到設(shè)計(jì)。鉆芯法檢測(cè)樁基工程時(shí)，是通過(guò)對(duì)不同部位取樣進(jìn)行整體分析評(píng)定的，容易出現(xiàn)漏判情況，該缺點(diǎn)也正是“以點(diǎn)代面”導(dǎo)致檢測(cè)中出現(xiàn)“盲區(qū)”同時(shí)該檢測(cè)會(huì)放大一些缺陷問(wèn)題比如持力層的軟夾層問(wèn)題或溶洞問(wèn)題等，并且檢測(cè)細(xì)長(zhǎng)樁時(shí)難以鉆穿樁身從而難以判斷樁基的質(zhì)量問(wèn)題[2]。但是跟其他檢測(cè)方法相比，可靠性和準(zhǔn)確性相對(duì)較高，其檢測(cè)內(nèi)容的特殊性也是其他方法不可替代的。

3 低應(yīng)變反射波法原理

反射波法是建立在一維波動(dòng)理論基礎(chǔ)上，將樁假設(shè)為一維彈性連續(xù)桿，在樁身頂部進(jìn)行豎向激振產(chǎn)生彈性波，彈性波沿著樁身向下傳播，當(dāng)樁身存在明顯差異的界面（如樁底、斷樁和嚴(yán)重離析等）或樁身截面積變化（如縮徑或擴(kuò)徑）部位，波阻抗將發(fā)生變化，產(chǎn)生反射波，通過(guò)安裝在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮辗瓷湫盘?hào)，對(duì)接收的反射信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可以識(shí)別來(lái)自樁身不同部位的反射信息。利用波在樁體內(nèi)傳播時(shí)縱波波速、樁長(zhǎng)與反射時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)反射信息的分析計(jì)算，判斷樁身混凝土的完整性及根據(jù)平均波速校核樁的實(shí)際長(zhǎng)度，判定樁身缺陷程度及位置。在反射波法分析中我們還要了解到波阻抗。波阻抗是樁身橫截面積、材料密度和彈性模量的函數(shù)。公式為，式中為樁的波阻抗（單位）;為樁的彈性波速（單位）;為樁的彈性模量（單位）;為樁的質(zhì)量密度（單位）;為樁的聲特性阻抗或聲阻抗率（單位）;為樁身截面積（單位）。

應(yīng)力波在樁中的傳播，當(dāng)在樁施加瞬壓脈沖激勵(lì)時(shí)，將使樁身產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波并使樁中質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)規(guī)定質(zhì)點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)速度為正號(hào)、向上運(yùn)動(dòng)速度為負(fù)號(hào)，樁身受壓力為正號(hào)，受拉力為負(fù)號(hào)，當(dāng)應(yīng)力波傳到阻抗變化界面（）處時(shí)，將產(chǎn)生反射波和入射波，用腳標(biāo)、、分別代表入射波、反射波、透射波，和分別為界面處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和截面應(yīng)力。根據(jù)界面處力平衡、速度連續(xù)條件和牛頓第三定律可得：;。根據(jù)動(dòng)能守恒條件最終可得到下式：;;。

和分別稱(chēng)為反射系數(shù)和透射系數(shù)，完全由兩種介質(zhì)的波阻抗的比值決定，主要取決于材料的質(zhì)量密度、 波速和截面積。由于這些參數(shù)的突變會(huì)引起波阻抗急劇變化，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生波的反射。因?yàn)楹涂偸钦担酝干湎禂?shù)也總為正值，即透射波和入射波相位總是相同的，反射系數(shù)的正負(fù)與的大小有關(guān)，結(jié)合樁的缺陷情況討論如下：（1）波阻抗近似不變：樁的質(zhì)量和完整性都無(wú)變化，其示意圖如圖2（a）所示。此時(shí)， ，則，即幾乎無(wú)反射波，全部應(yīng)力波幾乎都透射過(guò)界面?zhèn)髦料露?。?）波阻抗減?。簶渡砜s徑、離析、斷裂、夾泥、疏松、裂縫、裂紋等，其示意圖如圖2（b）所示，下段的波阻抗變小，此時(shí)，，則，反射波和入射波同相。（3）波阻抗增大：樁身擴(kuò)徑，下段的波阻抗變大，其示意圖如圖2（c）所示。此時(shí)，，則， 反射波與入射波反相。從上面分析也看出，低應(yīng)變反射波法存在的不足之處即當(dāng)樁身截面積是緩變型時(shí)或樁軸線(xiàn)傾斜、彎曲時(shí)均不產(chǎn)生反射波，樁底的波阻抗和樁端巖層的波阻抗相近時(shí)，就無(wú)法判定樁身質(zhì)量。由于反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間與產(chǎn)生反射位置有關(guān)。因此，在一定條件下可求得波運(yùn)行的平均波速和樁長(zhǎng)，根據(jù)公式：可得：（1）假設(shè)已知確切的樁長(zhǎng)如果樁底反射波明顯，則可由反射波到達(dá)時(shí)間計(jì)算平均波速：，在一定條件下，平均波速代表著樁身混凝土質(zhì)量的好壞。（2）如果已知樁混凝土波速，則可求得樁長(zhǎng)：。由于樁的混凝土波速受到許多因素的影響，因此現(xiàn)場(chǎng)每根樁的平均波速都不同。（3）知道波速和缺陷波反射的時(shí)間差，則樁身的缺陷位置為[3]。下表1是一維縱波波速與混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系表[4]。

4 相關(guān)工程實(shí)例的分析

4.1 工程實(shí)例一

上面講了三個(gè)基樁檢測(cè)原理，具體分析了低應(yīng)變反射波法，闡述了遇到不同波阻抗反射波與入射波的方向變化。接下來(lái)，我將用三個(gè)工程案例來(lái)具體分析。廣東佛山某人行天橋工程樁基，工程概況為將原有的人行天橋拆掉新建一座人行天橋，業(yè)主想利用舊的基樁，但是又不知道舊橋的基樁完整性怎么樣。地質(zhì)情況自上而下為：素填土已揭層厚0.5～5.6 m;礫質(zhì)黏性土已揭層厚約0.8～6 m;細(xì)砂夾淤泥土揭露層厚0.6～4.2 m;強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r揭露層厚1.2～7.1 m;兩根樁的樁號(hào)為4#、2#，直徑為1.0 m，齡期已超過(guò)28 天，樁基類(lèi)型為摩擦樁，樁長(zhǎng)和樁身強(qiáng)度未知。依據(jù)規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)不少于2個(gè)點(diǎn)。經(jīng)低應(yīng)變反射波法檢測(cè)，見(jiàn)圖3。4#樁的樁基類(lèi)型為摩擦樁，反射波和入射波方向?yàn)橥?，可以看出樁底信?hào)還是比較明顯的，樁身沒(méi)有明顯的缺陷信號(hào)。2#樁也差不多，樁底信號(hào)明顯，樁身沒(méi)有明顯的缺陷信號(hào)?，F(xiàn)在的問(wèn)題是不知道樁長(zhǎng)和樁身強(qiáng)度，沒(méi)辦法定樁長(zhǎng)和波速。缺少基本數(shù)據(jù)，單靠低應(yīng)變是沒(méi)辦法檢測(cè)基樁完整性的。建議業(yè)主采用鉆芯法進(jìn)行綜合判定。圖4為4#樁的芯樣，圖5為2#樁的芯樣。4#樁芯樣為：芯樣連續(xù)、完整、表面光滑、膠結(jié)較好，骨料分布均勻，芯樣呈長(zhǎng)柱狀、斷口吻合。所取芯樣試件抗壓強(qiáng)度代表值為35.8 MPa，樁端砼與持力層接觸一般，樁底未見(jiàn)沉渣，巖性為細(xì)砂夾淤泥，灰色，夾少量粘粒和淤泥質(zhì);鉆芯檢測(cè)出的實(shí)際樁長(zhǎng)為 11.03 m。2#樁芯樣為芯樣連續(xù)、完整、表面光滑、膠結(jié)較好，骨料分布基本均勻，芯樣呈長(zhǎng)柱狀、斷口基本吻合。所取芯樣試件抗壓強(qiáng)度代表值為28.1 MPa，樁端砼與持力層接觸一般，樁底未見(jiàn)沉渣，巖性為細(xì)砂夾淤泥，灰色，夾少量粘粒和淤泥質(zhì);鉆芯檢測(cè)出的實(shí)際樁長(zhǎng)為13.04 m。通過(guò)鉆芯我們知道樁身沒(méi)什么大缺陷，驗(yàn)證了樁底的持力層和反射波法的樁底反射是比較相吻合的。樁長(zhǎng)已知，則4#樁的波速為3 900 m/s，2#樁的波速為3 500 m/s，這個(gè)波速和鉆芯法的芯樣強(qiáng)度還是吻合的。因此，綜合低應(yīng)變反射波法和鉆芯法兩個(gè)檢測(cè)，可以判定4#和2#樁都是I類(lèi)樁。

4.2 工程實(shí)例二

廣東廣州增城某橋梁，工程概況為一座中小橋，地質(zhì)情況：原地面到標(biāo)高38.526 m為粉質(zhì)粘土，標(biāo)高38.526 m到標(biāo)高31.506 m為礫質(zhì)黏性土，標(biāo)高31.026 m到標(biāo)高20.526 m為全風(fēng)化花崗巖，標(biāo)高20.526 m到標(biāo)高13.526 m中風(fēng)化花崗巖。該樁的樁號(hào)為Z1-1，樁施工長(zhǎng)度為24.2 m，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，直徑為1.2 m，齡期已超過(guò)28天，樁基類(lèi)型為嵌巖樁。依據(jù)規(guī)范要求，采集不少于3個(gè)信號(hào)。見(jiàn)圖6，該樁有明顯的同向反射信號(hào)。波速為4 300 m/s，樁身沒(méi)有明顯的缺陷信號(hào)。由于這根樁的樁基類(lèi)型是嵌巖樁，樁底處出現(xiàn)同向信號(hào)，可能是未嵌巖或者是沉渣過(guò)大。然后現(xiàn)場(chǎng)詢(xún)問(wèn)，得知施工工藝是旋挖鉆施工。初步判斷同向反射信號(hào)是樁底沉渣。由于低應(yīng)變測(cè)不出沉渣的厚度，需要鉆芯法驗(yàn)證，對(duì)這根樁就行鉆芯。見(jiàn)圖7，該樁樁身砼芯樣呈青灰色、連續(xù)、完整、膠結(jié)較好，表面較光滑、骨料分布均勻，芯樣呈長(zhǎng)柱狀、斷口吻合。樁身無(wú)明顯缺陷和低應(yīng)變檢測(cè)還是吻合的。所取芯樣試件抗壓強(qiáng)度代表值為45.6 MPa，也符合低應(yīng)變波速4 300 m/s。也滿(mǎn)足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求（C30）。樁底沉渣平均厚度為137.5 mm，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求（≤50 mm）。樁持力層巖性為中風(fēng)化片麻狀花崗巖，灰色，帶紅色色韻，巖芯呈短柱狀，局部塊狀，其工程地質(zhì)性質(zhì)與設(shè)計(jì)相符。從這個(gè)過(guò)程例子可以分析出，沉渣的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于混凝土的強(qiáng)度，所以反射波和入射波方向相同。但是低應(yīng)變不能定量的分析出沉渣的厚度，只能大概知道是個(gè)缺陷，連缺陷類(lèi)型都很難判斷，要結(jié)合設(shè)計(jì)樁型、成樁工藝、地質(zhì)條件、施工情況等綜合分析[5]。所以想要進(jìn)一步分析缺陷的類(lèi)型和大小，就需要結(jié)合其他方法綜合判定。

4.3 工程實(shí)例三

這個(gè)工程實(shí)例是低應(yīng)變反射波法和聲波透射法的綜合運(yùn)用分析。廣東某高速工程樁基，工程概況為一座匝道橋，地質(zhì)情況是原地面到標(biāo)高36.35 m為粉質(zhì)粘土，標(biāo)高36.35 m到標(biāo)高25.56 m為礫質(zhì)黏性土，標(biāo)高25.56 m到標(biāo)高19.81 m為全風(fēng)化花崗巖，該樁的樁號(hào)為14#-Z1，樁施工長(zhǎng)度為23.7 m，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，設(shè)計(jì)直徑為1.4 m，基樁類(lèi)別為摩擦樁。依據(jù)規(guī)范要求，采集3個(gè)以上信號(hào)。見(jiàn)圖8，該樁樁底信號(hào)明顯，以第二個(gè)同向的信號(hào)為樁底，該樁的波速為3 800 m/s。樁身約15.6 m有個(gè)與入射波同向的反射波，根據(jù)波阻抗判斷，該部位可能存在離析松散的狀況。但是波峰不是特別大，說(shuō)明缺陷不是特別大。為全面的分析缺陷，對(duì)該樁進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果也比較相吻合。見(jiàn)圖9，聲波透射法檢測(cè)結(jié)果：在1-2剖面和2-3剖面約17.0～17.5 m聲速和波幅輕微偏低，存在著離析松散的現(xiàn)象。從這個(gè)工程例子可以看出，兩種方法檢測(cè)出的缺陷位置有些差異。這是由于兩種方法波的類(lèi)型、固體介質(zhì)和邊界條件不一樣導(dǎo)致的。綜合分析的話(huà)，一般以聲波透射法的缺陷位置比較準(zhǔn)確些。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面三個(gè)工程項(xiàng)目的討論分析，用低應(yīng)變反射波法分析樁身完整性時(shí)，雖然有便捷、快速等特點(diǎn)，但是低應(yīng)變反射波法的缺陷也是比較明顯的，稍不注意就容易出現(xiàn)誤判。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)該多積累經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)單靠一種方法是沒(méi)有辦法進(jìn)行基樁完整性判定，需要結(jié)合聲波透射法或者鉆芯法進(jìn)行綜合分析，才能準(zhǔn)確的分析出樁的完整性類(lèi)別。在實(shí)際操作中有時(shí)遇到委托方不是很理解，明明委托的是低應(yīng)變反射波法檢測(cè)，為什么還要做聲測(cè)或者鉆芯。這就需要我們檢測(cè)人員耐心的跟委托方解釋?zhuān)蛻?yīng)變法固有的局限性，同時(shí)也盡量用成本小的聲波透射法進(jìn)行綜合分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙雪.淺談應(yīng)用聲波透射法進(jìn)行灌注樁檢測(cè)[J].山西交通科技，2006（5）：53-55.

[2]林世聰.單樁低應(yīng)變法與鉆芯法檢測(cè)結(jié)果比較分析[J].技術(shù)研發(fā)，2012（10）：80-81.

[3]公路工程基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)規(guī)程：JTG/T 3512-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[4]楊永波.地基基礎(chǔ)工程檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

[5]建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范：DBJ/T-15-60-2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.