巖土輔導：反射波法檢測水泥攪拌樁的應用

　　摘要：反射波法是低應變測定混凝土樁樁身完整性的一種準確可靠、經(jīng)濟快捷的檢測方法。本文結(jié)合工程試樁，對反射波法應用于水泥攪拌樁的理論基礎、可行性、實際應用與可靠性進行了分析，認為只要選擇合理，處理得當，在滿足一定的條件下，利用反射波法檢測水泥攪拌樁的樁身完整性是可行的。同時也指出尚存在一定的局限性，需要認真研究和解決

　　關鍵詞：水泥攪拌樁　樁身質(zhì)量　反射波法　檢測　研究

　　反射波法是低應變測定混凝土樁樁身完整性的一種檢測方法，其經(jīng)過多年的研究、應用及發(fā)展，該項技術已經(jīng)逐漸走向成熟，事實證明它是一種準確可靠、經(jīng)濟快捷的檢測手段。

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

　　因此，能否將應用于混凝土樁身質(zhì)量評價的反射波法成功地應用于攪拌樁，已經(jīng)成為樁基動測界中一個迫切需要研究及解決的課題。在國內(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，盡管有許多學者與同行進行過相關的研究，但是由于所檢測的對象具有相當?shù)膹碗s性(地質(zhì)環(huán)境差異、樁身材料的非嚴格均勻性、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、測試現(xiàn)場條件的差異)，其準確性與可靠性還有待進一步提高與完善。本文結(jié)合近年來的工程實踐，就反射波法檢測水泥攪拌樁的應用談談一些體會與看法。

　　1.理論基礎與可行性分析

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

　　〖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，反射波隨樁身截面阻抗變化而變化的關系。

　　根據(jù)以上的理論基礎，反射波法檢測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別。

　　從目前工程上的應用來看，水泥攪拌樁樁徑多為50cm，樁長多為8m以上，長徑比一般在16以上，符合樁長遠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攪拌硬化而成，水泥土在受力初期，應力與應變關系基本上符合虎克定律?？梢暈閺椥圆牧?。

　　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資料證明，水泥攪拌樁樁身抗壓強度可達1.2MPa以上(425#水泥，噴灰量50kg/m，齡期90d)，其抗壓強度遠大于樁周土強度，基本符合―維波動方程的理論假設。對實際工程樁的檢測也表明，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，反射波法檢測水泥攪拌樁的樁身質(zhì)量是可行的。

　　2.實際應用與可靠性分析

　　與檢測混凝土灌注樁相比，反射波法檢測水泥攪拌樁有著其自身的特殊性。

　　首先是檢測時確定檢測齡期的問題。統(tǒng)計資料表明，到28d齡期時，水泥土的強度為設計強度的60%左右，到90d齡期時才能達到設計要求。從檢測效果的角度出發(fā)，齡期越長，強度越高，檢測效果越好。如果過早地進行檢測，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，則不滿足一維波動方程的理論假設。或由于鍾擊時，因為樁身整體強度不高，形成波形的低頻震蕩，導致無法進行有效的分析與判斷。因此建議水泥攪拌樁最佳的檢測齡期為28d以后。

　　其次由于水泥土無粗骨料，彈性波在水泥土內(nèi)部傳遞時，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效果，應盡可能破除樁頂松散層，打磨各測點，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。為減少彈性波的損失，應采用如黃油、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的關鍵，反射波測出的實際有效樁長：

　　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間(由儀器測定);

　　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測樁長與缺陷位置判斷的準確性。波速選擇的越合理，越具代表性，實測樁長的誤差就越小，反射波法檢測的可靠性就越高。

　　我院曾于1996年在寧馬公路板橋段線外按線內(nèi)工程樁設計要求(設計樁長16.5m，水泥摻入比12%)同期制成三根試樁。1號樁為樁長低于設計樁長的短樁，2號樁為按設計要求制成的完整樁，3號樁為只在某一段面減停噴灰量的缺陷樁。成樁14d后，對其進行檢測。首先檢測2號樁，并將其作為標準參考樁。實測波形清晰，樁底反射明顯。按設計樁長16.5m可計算出波速為1280m/s，可將其作為另兩根樁的經(jīng)驗波速。隨后檢測1號樁，運用2號樁的經(jīng)驗波速可測出1號樁實際有效樁長為14.88m，同樣測出3號樁缺陷位置在9.79m處。進一步可對線內(nèi)同期工程樁進行快速普測，取得了非常好的效果。

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

　　3.不確定因素與局限性

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

　　首先，經(jīng)驗波速隨著齡期、強度、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)驗波速范圍波動過大，直接造成檢測結(jié)果誤差增大。而為取得有代表性的經(jīng)驗波速，在工程樁同期打試樁，既不太可能也不太實際。所以這還得通過今后不斷的積累和完善，建立起一套完整的經(jīng)驗波速與各影響因素的相關數(shù)據(jù)庫，才能真正使反射波法檢測水泥攪拌樁走向應用。

　　其次，反射波法應用的對象應是一彈性的均勻體，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水泥攪拌樁的應用。有時因攪拌不充分造成的水泥層狀、片狀分布將會令反射波法很難甚至無法分析。

　　4.結(jié)束語

　　總之，反射波法檢測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水泥攪拌樁的質(zhì)量進行檢測，但還需綜合采用其它一些方法如取芯、載荷試驗等對樁身進行綜合評價。

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