論低應(yīng)變反射波法檢測(cè)CFG樁完整性的局限性

黃舜濤 蔡煜煜

（潮州市建設(shè)工程技術(shù)服務(wù)中心）

0 引言

CFG(Cement Fly—ash Grave)樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂和水按一定配合比、由不同施工機(jī)械均勻攪拌形成的高黏結(jié)強(qiáng)度樁。CFG 樁復(fù)合地基試驗(yàn)研究早在1988 年即列入建設(shè)部“七五”計(jì)劃課題，1994年列為全國(guó)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，當(dāng)前在工程實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用。規(guī)范要求，CFG 樁施工完成后，應(yīng)采用低應(yīng)變法對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)。鑒于CFG 樁在工程應(yīng)用中普遍存在質(zhì)量問題和低應(yīng)變反射波法的技術(shù)特點(diǎn)，采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)CFG 樁完整性在實(shí)際應(yīng)用中效果普遍不太理想，存在一定的局限性。

1 CFG樁的應(yīng)用情況

1.1 CFG樁的適用性

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012，CFG 樁復(fù)合地基適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結(jié)已完成的素填土等地基，對(duì)淤泥質(zhì)土應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。尤其對(duì)于存在淤泥～淤泥質(zhì)土層（天然地基承載力特征值fuk＜50kPa）的場(chǎng)地，須驗(yàn)證CFG 樁復(fù)合地基承載能力、沉降變形、成樁工藝與成樁質(zhì)量等方面可靠性。實(shí)際應(yīng)用中，CFG 樁常超出其適用條件，尤其在沿海地區(qū)，淤泥～淤泥質(zhì)土層廣泛分布，很多工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段并未按規(guī)范要求通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其沉降變形、成樁工藝與成樁質(zhì)量等方面進(jìn)行可行性驗(yàn)證，導(dǎo)致成樁質(zhì)量不理想、地基處理效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為工程的檢測(cè)、驗(yàn)收帶來不同程度影響。

1.2 CFG樁的質(zhì)量通病

CFG 樁突出特點(diǎn)是不配筋、樁徑?。ㄒ话?50～600mm）、樁身強(qiáng)度低，在超出其適用條件的情況下使用，因不利地質(zhì)條件的影響、施工機(jī)械選擇不當(dāng)、施工質(zhì)量保障措施不到位等因素，容易出現(xiàn)樁身質(zhì)量問題，質(zhì)量通病給工程的檢測(cè)試驗(yàn)和竣工驗(yàn)收造成相當(dāng)?shù)睦_。CFG樁常見質(zhì)量問題有：

⑴縮頸、夾泥、斷樁：樁周土中存在飽和高壓縮性淤泥層、淤泥質(zhì)土層、承壓水砂土層等軟弱地層時(shí)，因施工操作不當(dāng)、拔管太快等因素，容易在樁內(nèi)形成空洞、夾泥，甚至斷樁等缺陷；當(dāng)混凝土配合比不當(dāng)，塌落度過高，在樁周高壓縮性土層的擠壓下，容易出現(xiàn)縮頸、扭曲變形等缺陷；當(dāng)混凝土細(xì)骨料用量較少，粗骨料過大，混凝土和易性不好，塌落度過低，則容易常發(fā)生堵管，出現(xiàn)空洞、斷樁等缺陷。

⑵樁身混凝土離析：CFG 樁樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度通常較低，一般強(qiáng)度等級(jí)多在C15～C25 之間。當(dāng)混凝土配合比中細(xì)骨料和膠凝材料用量較少、水灰比偏低時(shí)，容易造成拌合物流動(dòng)性、黏聚性、保水性差而出現(xiàn)離析現(xiàn)象；當(dāng)水灰比偏大、拌合物坍落度太大，則容易出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象。

⑶樁身混凝土強(qiáng)度偏低：相比其他基樁形式，CFG樁樁身混凝土強(qiáng)度通常較低，尤其是作為豎向加勁體時(shí)，其樁身混凝土強(qiáng)度可低至5MPa,工程實(shí)踐中有可能更低。這容易造成樁身混凝土強(qiáng)度不均勻、受樁周土擠壓變形縮頸、后續(xù)施工損傷破壞。此時(shí)，CFG 樁已不能視為剛性樁，不能滿足基樁低應(yīng)變完整性檢測(cè)條件。

⑷樁身損傷斷裂：CFG 樁為低強(qiáng)度素混凝土樁，抗彎、抗剪能力較差。當(dāng)施工方案設(shè)計(jì)不合理，施工過程未按由里及外、隔樁跳打的順序施打，或者在滿堂布樁、樁距緊密的情況下沒有采取引孔的方法施打，因擠土效應(yīng)，先打的樁受周邊土體側(cè)向擠壓、豎向上拔，容易大面積出現(xiàn)縮頸甚至斷樁的情況；而施工過程因機(jī)械移位不當(dāng)，從已施工的樁體上碾過也是造成斷樁的常見因素；在施工褥墊層前，開挖基槽土方時(shí)大型機(jī)械碾壓、鑿除多余樁頭時(shí)粗暴施工，也易造成樁體斷裂、樁頭破損的常見質(zhì)量問題。

1.3 不同規(guī)范對(duì)CFG樁完整性檢測(cè)的要求

CFG 樁施工完成后，應(yīng)進(jìn)行樁身完整性質(zhì)量檢驗(yàn)。不同規(guī)范對(duì)于檢驗(yàn)方法、適用條件、抽樣數(shù)量、受檢樁條件都做出具體規(guī)定（見表1），普遍規(guī)定低應(yīng)變法檢測(cè)時(shí)樁身混凝土強(qiáng)度不低于15MPa，但JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》12.1.1 條則適當(dāng)降低了對(duì)樁身混凝土強(qiáng)度的最低要求，只需大于8MPa。

表1 規(guī)范對(duì)CFG樁低應(yīng)變完整性檢測(cè)的要求

2 低應(yīng)變反射波法在CFG 樁完整性檢測(cè)應(yīng)用中存在的問題

大量檢測(cè)實(shí)踐證明，CFG 樁因其樁身強(qiáng)度較低、摻入水泥量和均勻性變化較大、樁身質(zhì)量通病等因素，采用低應(yīng)變法進(jìn)行完整性檢測(cè)，多會(huì)出現(xiàn)實(shí)測(cè)曲線雜亂、重復(fù)性差、無樁底反射信號(hào)等現(xiàn)象，難于判定缺陷位置和樁長(zhǎng)，達(dá)不到滿意效果。

2.1 CFG樁與一維彈性桿

低應(yīng)變反射波法的理論基礎(chǔ)以一維線彈性桿件模型為依據(jù)，JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：受檢增強(qiáng)體的長(zhǎng)徑比、瞬態(tài)激勵(lì)脈沖有效高頻分量的波長(zhǎng)與增強(qiáng)體的橫向尺寸之比均宜大于5，設(shè)計(jì)增強(qiáng)體截面宜基本規(guī)則，對(duì)異型的豎向增強(qiáng)體不宜采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)其樁身完整性。低應(yīng)變應(yīng)力波反射法在應(yīng)用一維應(yīng)力波理論時(shí)，要求應(yīng)力波傳播時(shí)桿件的平截面假設(shè)成立，且桿件本身均質(zhì)、彈性、各向同性。對(duì)于CFG 樁，尤其當(dāng)穿過淤泥～淤泥質(zhì)土層時(shí)，容易出現(xiàn)離析、縮頸、夾泥、空洞甚至斷樁等缺陷，且往往存在多處缺陷，疊加樁身強(qiáng)度偏低、樁周土阻尼變化的影響，很難滿足或接近理論模型的條件，采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁身完整性難于取得滿意效果。

2.2 應(yīng)力波波速設(shè)定的問題

在低應(yīng)變完整性檢測(cè)工作中，合理設(shè)定波速是準(zhǔn)確判定樁身缺陷位置、測(cè)定樁長(zhǎng)的前提條件。

JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》12.4.1 條之1 款：豎向增強(qiáng)體長(zhǎng)度已知、底部信號(hào)明確時(shí)，應(yīng)選取不少于5根完整性為I類的豎向增強(qiáng)體計(jì)算各自波速值和波速平均值。實(shí)踐中通常很難滿足這個(gè)條件。鑒于CFG 樁實(shí)際情況：①樁身混凝土強(qiáng)度普遍偏低，可低至5MPa；②樁身存在缺陷（甚至嚴(yán)重缺陷、多個(gè)缺陷）的幾率較高；③樁身與樁周土剛度比偏小。同一工地通常很難采集到5 根樁底信號(hào)清晰的完整樁曲線，且施工單位提供的樁長(zhǎng)往往存疑，導(dǎo)致難于按規(guī)范要求通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定波速。

為此，《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》12.4.1 條之2 款：當(dāng)無法按第1 款確定時(shí)，波速平均值可根據(jù)當(dāng)?shù)叵嗤┕すに嚨呢Q向增強(qiáng)體的其他工程的實(shí)測(cè)值，結(jié)合膠結(jié)材料、骨料品質(zhì)和強(qiáng)度綜合確定。

工程實(shí)踐中，一般是既未能通過實(shí)測(cè)計(jì)算得到波速值，也沒有當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)值可供參考。一線檢測(cè)人員通常根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)，引用表2 的數(shù)據(jù)，預(yù)先設(shè)定一個(gè)波速用于全場(chǎng)檢測(cè)工作。例如，對(duì)于設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20的CFG樁，設(shè)定波速為3200（m.s-1）。這是一個(gè)簡(jiǎn)單省事但不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ā?/p>

表2 應(yīng)力波波速與混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 的出處不明，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。類似資料最早源自于1984 年“第二屆應(yīng)力波在樁基工程應(yīng)用國(guó)際會(huì)議”上交流的一篇論文《鉆孔樁低應(yīng)變質(zhì)量的檢測(cè)》（作者：Jorn M.Seitz）中的研究成果（見表3）。其后國(guó)內(nèi)多位學(xué)者依據(jù)原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 93-95《基樁低應(yīng)動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》（已廢止）4.4.10 條：“樁身混凝土的強(qiáng)度等級(jí)可依據(jù)波速來估計(jì)。波速與混凝土抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)，應(yīng)通過對(duì)混凝土試件的波速測(cè)定和抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)確定”，開展一系列試驗(yàn)研究得出表2 這樣一組離散性較大的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但研究表明，應(yīng)力波波速與混凝土強(qiáng)度并非呈唯一相關(guān)性，可能的影響因素還包括：混凝土密度、骨料、外加劑、養(yǎng)護(hù)方式、攪拌與澆筑方式、齡期、樁周土摩阻力等。[6]

表3 混凝土的情況與波速表

因此，根據(jù)樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)結(jié)合主觀經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單預(yù)設(shè)一個(gè)波速，而不是按規(guī)范要求通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取得待檢CFG 樁的平均波速，再加上施工單位提供的施工樁長(zhǎng)資料往往與實(shí)際樁長(zhǎng)不符，據(jù)此判定被檢樁實(shí)際缺陷位置和樁長(zhǎng)常出現(xiàn)較大偏差。

優(yōu)化措施：低應(yīng)變法為主、輔以鉆芯法，兩者相互校核，以取得樁身完整性檢測(cè)的理想效果。具體做法是，同一工地，先進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，篩選樁底反射信號(hào)較好的5 根樁，進(jìn)行鉆芯法檢驗(yàn)，以判別是否滿足低應(yīng)變法對(duì)于樁身強(qiáng)度的最低要求；其次，校核施工樁長(zhǎng)；根據(jù)鉆芯確定的樁長(zhǎng)，分別計(jì)算各樁波速，求取平均波速作為該工地低應(yīng)變?cè)囼?yàn)的設(shè)定波速。

2.3 激振方式的影響

低應(yīng)變檢測(cè)理想情況是能采集到樁底反射清晰的曲線，據(jù)此復(fù)核施工樁長(zhǎng)，準(zhǔn)確計(jì)算樁身缺陷位置。

實(shí)際工作中，檢測(cè)人員往往簡(jiǎn)單地選擇單一、不恰當(dāng)?shù)募ふ裨?，采集到信息?jiǎn)單、甚至是無效的實(shí)測(cè)曲線，漏掉一些關(guān)鍵性的信號(hào)特征，導(dǎo)致不同程度的誤判、漏判。如某工程抽檢27 根CFG 樁，大部分采集到如圖1(a)所示的實(shí)測(cè)曲線，據(jù)此判定全部27 根樁樁身完整。該批曲線采用尼龍質(zhì)錘頭的力棒激振檢測(cè)得到，全都呈現(xiàn)出低頻寬幅振蕩的特點(diǎn)，有效信息湮沒不見，檢測(cè)結(jié)論不可信。二次復(fù)測(cè)采用橡膠墊加小鐵錘的激振方式，采集到的典型曲線如圖1(b)所示，多數(shù)在樁頂1m 以內(nèi)存在明顯缺陷，經(jīng)開挖驗(yàn)證，系鑿除樁頭造成的損傷。

圖1 同一根CFG樁采用不同激振方式取得的低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線

檢測(cè)實(shí)踐中，為獲得更好地檢測(cè)效果，需通過選擇適當(dāng)?shù)氖皱N或力棒來調(diào)整激振的能量與頻率，結(jié)合適當(dāng)儀器參數(shù)設(shè)置，才能采集到信息豐富、有效的實(shí)測(cè)曲線。一般來說，錘頭重量越小、材質(zhì)越硬，激振產(chǎn)生的應(yīng)力波波幅越窄、頻率越高；就錘的形狀而言，手錘比力棒激振產(chǎn)生的應(yīng)力波主頻率更高。有研究表明：依橡皮錘→柔性塑料錘→塑料錘→輕質(zhì)木錘→輕質(zhì)脆性尼龍錘→小鐵錘的順序，其激振作用時(shí)間漸短，產(chǎn)生的應(yīng)力波主頻漸高[9]。

對(duì)于CFG 樁，以下的優(yōu)化措施尤為必要：為測(cè)得清晰的樁底反射信號(hào)，通常選用裝有相對(duì)柔性材料作為錘頭的力棒進(jìn)行激振，以獲得能量更高、穿透力更強(qiáng)的信號(hào)源；而為了準(zhǔn)確測(cè)得淺部或尺寸較小的缺陷，則應(yīng)選擇硬質(zhì)錘頭的手錘甚至鐵錘進(jìn)行激振，以獲得分辨率更高的高頻信號(hào)源，在儀器參數(shù)設(shè)置方面，宜選取全通或2kHz 以上低通濾波，采樣間隔宜小于50μs；為準(zhǔn)確全面反映整樁情況，則需多種激振方式有效組合，才能既采集到樁底反射信號(hào)，又不漏掉任何淺部及細(xì)尺寸的缺陷。

2.4 混凝土齡期差異的影響

CFG 樁混凝土澆筑早期，強(qiáng)度增長(zhǎng)不充分，強(qiáng)度等級(jí)較低，均勻性較差，且因摻加一定摻量的粉煤灰，使得混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。對(duì)于CFG 樁等地下工程，強(qiáng)度增長(zhǎng)可達(dá)到90 天甚至更長(zhǎng)。同一工地CFG 樁數(shù)量動(dòng)輒數(shù)百幾千根，齡期差別較大，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)程度不同，對(duì)CFG 樁低應(yīng)變檢測(cè)會(huì)造成不同程度的影響。表4是某工地采用鉆芯法和低應(yīng)變法結(jié)合對(duì)不同齡期的CFG樁的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)。

表4 某工地CFG樁齡期與波速關(guān)系

實(shí)踐表明，同一場(chǎng)地混凝土齡期差異大，強(qiáng)度增長(zhǎng)水平不一，造成低應(yīng)變檢測(cè)時(shí)應(yīng)力波波速變異性增大。尤其是當(dāng)檢驗(yàn)批次中存在低于14 天齡期的受檢樁時(shí)，采用一個(gè)固定的波速來完成同一工地、齡期參差不齊、強(qiáng)度差別較大的CFG 樁低應(yīng)變檢測(cè)，對(duì)缺陷位置和樁長(zhǎng)的判定大部分情況下是不準(zhǔn)確的。這是因?yàn)椋炷潦且环N強(qiáng)度、聲學(xué)參數(shù)均與齡期相關(guān)的材料。JGJ106-2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》3.2.5 條：采用低應(yīng)變法檢測(cè)時(shí)，受檢樁混凝土強(qiáng)度不應(yīng)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%。只有當(dāng)受檢樁齡期足夠長(zhǎng)，樁身混凝土強(qiáng)度得到充分增長(zhǎng)，低應(yīng)變檢測(cè)時(shí)才能盡量降低混凝土強(qiáng)度差異造成的應(yīng)力波波速差別的影響，避免造成對(duì)缺陷位置的誤判。

2.5 樁身強(qiáng)度偏低的影響

JGJ106-2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》3.2.5 條規(guī)定，采用低應(yīng)變法檢測(cè)時(shí)，受檢樁混凝土強(qiáng)度不應(yīng)低于15MPa；而JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》12.1.1 條：低應(yīng)變法適用于檢測(cè)有粘結(jié)強(qiáng)度、規(guī)則截面的樁身強(qiáng)度大于8MPa 豎向增強(qiáng)體的完整性，對(duì)于樁身強(qiáng)度要求有所放寬。

但是，實(shí)際工程中存在大量樁身強(qiáng)度等級(jí)低于15MPa甚至8MPa的案例。根據(jù)DBJ T13-128-2010《水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程》5.1.2 條：CFG 樁豎向加勁體強(qiáng)度等級(jí)范圍宜為C5～C30，當(dāng)采用素砼樁時(shí)，強(qiáng)度等級(jí)范圍宜為C15～C35。實(shí)際應(yīng)用中，由于CFG樁普遍樁身強(qiáng)度偏低，尤其是作為豎向加勁體，樁身混凝土強(qiáng)度可低至C5，實(shí)際情況甚至可能更低。對(duì)于低強(qiáng)度的CFG 樁，有兩個(gè)不利因素導(dǎo)致低應(yīng)變法檢測(cè)難于進(jìn)行：

⑴應(yīng)力波傳播過程中，在樁側(cè)與樁周土層的界面將出現(xiàn)折射現(xiàn)象而將一部分能力擴(kuò)散到樁周土中，產(chǎn)生能量折射損失。樁身強(qiáng)度越低，樁身與樁周土的波阻抗差異越小，這種能量折射損失就越大。[8]

⑵樁身混凝土強(qiáng)度越低，則密度越低，甚至出現(xiàn)離析、空洞等缺陷，應(yīng)力波在傳播過程中的阻尼衰減損失就越大；同時(shí)，疊加離析、空洞等阻抗變化處應(yīng)力波提前反射造成的能量損失，導(dǎo)致應(yīng)力波難于順利向下傳遞。

應(yīng)力波在在這類樁的樁身傳播時(shí)能量快速衰減，未能到達(dá)樁底，更難有效反射至樁頂，被傳感器所采集。此時(shí)的實(shí)測(cè)曲線一般呈現(xiàn)為一種寬幅低頻振蕩的正弦波（如圖2 所示），不是有效曲線，不能用于評(píng)價(jià)樁身完整性。

圖2 低強(qiáng)度CFG樁低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線

因此，低應(yīng)變反射波法也不適用于低強(qiáng)度CFG 樁的樁身質(zhì)量檢測(cè)。

2.6 多處缺陷的影響

由于CFG 樁強(qiáng)度偏低、通常存在多處缺陷、樁身與樁周土的波阻抗差異小等因素的影響，導(dǎo)致激振能量偏小的應(yīng)力波沿樁身向下傳播過程中能量衰減嚴(yán)重，實(shí)測(cè)曲線反映中下部的有效信息有限。一般情況下，只能可靠地檢測(cè)到樁身中上部第一個(gè)缺陷的界面反射信號(hào)；但當(dāng)樁身存在多處缺陷時(shí)，應(yīng)力波產(chǎn)生多次反射和透射，反射波信號(hào)相互疊加、干擾，形成復(fù)雜波列，不只測(cè)不到樁底反射信號(hào)，也難于對(duì)樁身中下部多個(gè)缺陷進(jìn)行有效分析與甄別，造成誤判、漏判，無法對(duì)樁身完整性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

2.7 墊層的影響

為方便下道工序施工，樁基工程施工完成后、承臺(tái)施工前，通常會(huì)澆筑墊層。墊層的混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般是C15，與CFG 樁樁身強(qiáng)度相近。當(dāng)CFG 樁與墊層結(jié)合良好時(shí)，相當(dāng)于結(jié)合部存在很大程度的截面阻抗變大，對(duì)測(cè)試信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)影響。JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》12.3.1 條：當(dāng)增強(qiáng)體側(cè)面與混凝土墊層澆筑成一體時(shí)，應(yīng)斷開連接并確保墊層不影響檢測(cè)結(jié)果的情況下方可進(jìn)行檢測(cè)。但在實(shí)際工作中，若墊層已經(jīng)施工，通常很難讓施工單位將所有受檢CFG 樁進(jìn)行全面處理，使之與墊層完全斷開脫離；此時(shí)，墊層位置在實(shí)測(cè)曲線上會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)阻抗變大的干擾信號(hào)，不僅會(huì)造成誤判，也會(huì)影響到墊層位置以下樁身缺陷的分析判斷。

為保障檢測(cè)質(zhì)量，低應(yīng)變測(cè)試必須安排在墊層施工前進(jìn)行。

3 結(jié)語

本文結(jié)合低應(yīng)變反射波法技術(shù)特點(diǎn)和CFG 樁的普遍質(zhì)量問題，分析了工程實(shí)踐中采用低應(yīng)變法檢測(cè)CFG樁樁身完整性存在的一系列問題，給出了部分改進(jìn)措施，指出采用低應(yīng)變法檢測(cè)CFG 樁樁身完整性的局限性。建議只作為一種試驗(yàn)方法為CFG 樁施工質(zhì)量自檢提供參考，作為工程驗(yàn)收的檢驗(yàn)依據(jù)宜結(jié)合鉆芯等方法進(jìn)行。