巖土輔導(dǎo)：反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的應(yīng)用

　　摘要：反射波法是低應(yīng)變測(cè)定混凝土樁樁身完整性的一種準(zhǔn)確可靠、經(jīng)濟(jì)快捷的檢測(cè)方法。本文結(jié)合工程試樁，對(duì)反射波法應(yīng)用于水泥攪拌樁的理論基礎(chǔ)、可行性、實(shí)際應(yīng)用與可靠性進(jìn)行了分析，認(rèn)為只要選擇合理，處理得當(dāng)，在滿足一定的條件下，利用反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的樁身完整性是可行的。同時(shí)也指出尚存在一定的局限性，需要認(rèn)真研究和解決

　　關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁　樁身質(zhì)量　反射波法　檢測(cè)　研究

　　反射波法是低應(yīng)變測(cè)定混凝土樁樁身完整性的一種檢測(cè)方法，其經(jīng)過(guò)多年的研究、應(yīng)用及發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟，事實(shí)證明它是一種準(zhǔn)確可靠、經(jīng)濟(jì)快捷的檢測(cè)手段。

　　近年來(lái)，隨著深層攪拌樁在軟土地區(qū)的廣泛應(yīng)用，工程上迫切需要一種能夠?qū)Υ藬嚢铇稑渡碣|(zhì)量進(jìn)行快速有效地分析與評(píng)估的檢測(cè)手段。但是長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)攪拌樁樁身質(zhì)量的檢測(cè)往往只能依賴于鉆孔取芯或開(kāi)挖取樣等方法，這些方法盡管直接可靠，但由于其時(shí)間長(zhǎng)、成本高，所以很難對(duì)大批量的攪拌樁進(jìn)行綜合質(zhì)量評(píng)估，其結(jié)果也就難免以偏概全。

　　因此，能否將應(yīng)用于混凝土樁身質(zhì)量評(píng)價(jià)的反射波法成功地應(yīng)用于攪拌樁，已經(jīng)成為樁基動(dòng)測(cè)界中一個(gè)迫切需要研究及解決的課題。在國(guó)內(nèi)，到目前為止，反射波法攪拌樁樁身質(zhì)量還處于探索階段，盡管有許多學(xué)者與同行進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，但是由于所檢測(cè)的對(duì)象具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性(地質(zhì)環(huán)境差異、樁身材料的非嚴(yán)格均勻性、樁周介質(zhì)阻抗與樁身介質(zhì)阻抗差異小、施工工藝的差異、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)條件的差異)，其準(zhǔn)確性與可靠性還有待進(jìn)一步提高與完善。本文結(jié)合近年來(lái)的工程實(shí)踐，就反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的應(yīng)用談?wù)勔恍w會(huì)與看法。

　　1.理論基礎(chǔ)與可行性分析

　　反射波法是建立在―維波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上的。假設(shè)樁為質(zhì)地均勻、各向同性的―維線彈性體(樁的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑，且入射波波長(zhǎng)λ大于樁的直徑)，當(dāng)用手錘在樁頂敲擊時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力波在樁身傳播滿足―維波動(dòng)方程：

　　〖JZ(〗〖SX(〗??2μ〖〗?x?2〖SX)〗=〖SX(〗1〖〗Vc〖SX)〗〖SX(〗??2μ〖〗?t?2〖SX)〗〖JZ)〗〖JY〗(1)

　　式中：Vc―〖WB〗縱波在樁身中的傳播速度，

　　〖DW〗Vc=〖KF(〗E/ρ〖KF)〗;

　　E―樁身彈性模量;

　　ρ―樁身混凝土密度。

　　當(dāng)有入射波Fa從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2，將在兩種介質(zhì)的界面處產(chǎn)生反射波Fb與透射波Fc。經(jīng)求解可得：

　　〖JZ(〗Fb=Fa〖SX(〗α-1〖〗α+1〖SX)〗〖JZ)〗〖JY〗(2)

　　〖JZ(〗Fc=Fa〖SX(〗2α〖〗α+1〖SX)〗〖JZ)〗〖JY〗(3)?

　　式中：α=〖SX(〗V??c1?A?1E?1〖〗V??c2?A?2E?2〖SX)〗=〖SX(〗Z?2〖〗Z?1〖SX)〗

　　Z?1、Z?2分別為介質(zhì)1與介質(zhì)2的聲阻抗。

　　公式(2)反映了彈性波在樁身中傳播時(shí)，反射波隨樁身截面阻抗變化而變化的關(guān)系。

　　根據(jù)以上的理論基礎(chǔ)，反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁必須滿足以下理論條件：

　　(1)水泥攪拌樁是否可視為一維桿件。

　　(2)水泥攪拌樁樁身材料是否可視為彈性材料。

　　(3)水泥攪拌樁樁身波阻抗是否可以被識(shí)別。

　　從目前工程上的應(yīng)用來(lái)看，水泥攪拌樁樁徑多為50cm，樁長(zhǎng)多為8m以上，長(zhǎng)徑比一般在16以上，符合樁長(zhǎng)遠(yuǎn)大于樁徑的理論條件，樁體可視為一維桿件。

　　水泥攪拌樁是由水泥就地與地基土充分?jǐn)嚢栌不?，水泥土在受力初期，?yīng)力與應(yīng)變關(guān)系基本上符合虎克定律。可視為彈性材料。

　　注：〖WB〗A?5、A??10?、A??15?、A??20?、A??25?

　　表示水泥滲入比;　　〖DW〗a?w=(5，10，15，20，25)%

　　與混凝土灌注樁相比，盡管水泥攪拌樁樁身波阻抗明顯要小，但目前大量的工程試驗(yàn)資料證明，水泥攪拌樁樁身抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.2MPa以上(425#水泥，噴灰量50kg/m，齡期90d)，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于樁周土強(qiáng)度，基本符合―維波動(dòng)方程的理論假設(shè)。對(duì)實(shí)際工程樁的檢測(cè)也表明，一維壓縮波在水泥攪拌樁樁身以內(nèi)的入射、透射、反射特征清晰。

　　基于以上分析，反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的樁身質(zhì)量是可行的。

　　2.實(shí)際應(yīng)用與可靠性分析

　　與檢測(cè)混凝土灌注樁相比，反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁有著其自身的特殊性。

　　首先是檢測(cè)時(shí)確定檢測(cè)齡期的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)資料表明，到28d齡期時(shí)，水泥土的強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%左右，到90d齡期時(shí)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從檢測(cè)效果的角度出發(fā)，齡期越長(zhǎng)，強(qiáng)度越高，檢測(cè)效果越好。如果過(guò)早地進(jìn)行檢測(cè)，水泥土尚未完全硬化，水泥土的波阻抗與樁周土的波阻抗較為接近，則不滿足一維波動(dòng)方程的理論假設(shè)?；蛴捎阪R擊時(shí)，因?yàn)闃渡碚w強(qiáng)度不高，形成波形的低頻震蕩，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效的分析與判斷。因此建議水泥攪拌樁最佳的檢測(cè)齡期為28d以后。

　　其次由于水泥土無(wú)粗骨料，彈性波在水泥土內(nèi)部傳遞時(shí)，介質(zhì)散射引起的衰減較小，而介質(zhì)吸收產(chǎn)生的衰減較大。為了取得良好的檢測(cè)效果，應(yīng)盡可能破除樁頂松散層，打磨各測(cè)點(diǎn)，并選擇合適的振源，一般尼龍錘具有較好的指向性和穿透力。為減少?gòu)椥圆ǖ膿p失，應(yīng)采用如黃油、凡士林一類的膠狀或漿狀物質(zhì)作耦合劑。

　　最后，選擇合理的波速成為一次成功檢測(cè)的關(guān)鍵，反射波測(cè)出的實(shí)際有效樁長(zhǎng)：

　　L=t c/2

　　式中：t―彈性波由樁頂傳至樁底、經(jīng)反射后傳至樁頂?shù)臅r(shí)間(由儀器測(cè)定);

　　c―彈性波在樁身內(nèi)傳播的波速，m/s。

　　因此，波速的選擇直接影響到實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)與缺陷位置判斷的準(zhǔn)確性。波速選擇的越合理，越具代表性，實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)的誤差就越小，反射波法檢測(cè)的可靠性就越高。

　　我院曾于1996年在寧馬公路板橋段線外按線內(nèi)工程樁設(shè)計(jì)要求(設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16.5m，水泥摻入比12%)同期制成三根試樁。1號(hào)樁為樁長(zhǎng)低于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的短樁，2號(hào)樁為按設(shè)計(jì)要求制成的完整樁，3號(hào)樁為只在某一段面減停噴灰量的缺陷樁。成樁14d后，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。首先檢測(cè)2號(hào)樁，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)參考樁。實(shí)測(cè)波形清晰，樁底反射明顯。按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16.5m可計(jì)算出波速為1280m/s，可將其作為另兩根樁的經(jīng)驗(yàn)波速。隨后檢測(cè)1號(hào)樁，運(yùn)用2號(hào)樁的經(jīng)驗(yàn)波速可測(cè)出1號(hào)樁實(shí)際有效樁長(zhǎng)為14.88m，同樣測(cè)出3號(hào)樁缺陷位置在9.79m處。進(jìn)一步可對(duì)線內(nèi)同期工程樁進(jìn)行快速普測(cè)，取得了非常好的效果。

　　實(shí)踐證明，只要選擇合理，處理得當(dāng)，在滿足一定的條件下，完全可以利用反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的樁身完整性。

　　3.不確定因素與局限性

　　盡管反射波法檢測(cè)水泥攪拌性有著快速、可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍有其一定的局限性。

　　首先，經(jīng)驗(yàn)波速隨著齡期、強(qiáng)度、水泥含量、土樣含水量變化存在著明顯的不確定性，造成經(jīng)驗(yàn)波速范圍波動(dòng)過(guò)大，直接造成檢測(cè)結(jié)果誤差增大。而為取得有代表性的經(jīng)驗(yàn)波速，在工程樁同期打試樁，既不太可能也不太實(shí)際。所以這還得通過(guò)今后不斷的積累和完善，建立起一套完整的經(jīng)驗(yàn)波速與各影響因素的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，才能真正使反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁走向應(yīng)用。

　　其次，反射波法應(yīng)用的對(duì)象應(yīng)是一彈性的均勻體，而目前落后的施工工藝造成的樁身不均勻性，也制約著反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的應(yīng)用。有時(shí)因攪拌不充分造成的水泥層狀、片狀分布將會(huì)令反射波法很難甚至無(wú)法分析。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　總之，反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的樁身質(zhì)量目前還處于探索、發(fā)展階段。反射波法在一定條件下可以對(duì)水泥攪拌樁的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，但還需綜合采用其它一些方法如取芯、載荷試驗(yàn)等對(duì)樁身進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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