反射波法檢測水泥攪拌樁的應用研究

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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對此攪拌樁樁身質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量評估，其結果也就難免以偏概全。
    因此，能否將應用于混凝土樁身質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(地質環(huán)境差異、樁身材料的非嚴格均勻性、樁周介質阻抗與樁身介質阻抗差異小、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1傳播到介質2，將在兩種介質的界面處產(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1與介質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?？梢暈閺椥圆牧稀?
    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，介質散射引起的衰減較小，而介質吸收產(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、結束語
    總之，反射波法檢測水泥攪拌樁的樁身質量目前還處于探索、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。