反射波法檢測水泥攪拌樁的應(yīng)用研究

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反射波法是低應(yīng)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(yīng)用及發(fā)展，該項技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟，事實證明它是一種準(zhǔn)確可靠、經(jīng)濟(jì)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(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(jìn)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(yīng)用于混凝土樁身質(zhì)量評價的反射波法成功地應(yīng)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(xué)者與同行進(jìn)行過相關(guān)的研究，但是由于所檢測的對象具有相當(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、測試現(xiàn)場條件的差異)，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)合近年來的工程實踐，就反射波法檢測水泥攪拌樁的應(yīng)用談?wù)勔恍w會與看法。
    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(樁的長度遠(yuǎn)大于直徑，且入射波波長λ大于樁的直徑)，當(dāng)用手錘在樁頂敲擊時，產(chǎn)生的應(yīng)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(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，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(yīng)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(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桑嗤猎谑芰Τ跗?，?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—維波動方程的理論假設(shè)。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(yīng)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(qiáng)度為設(shè)計強(qiáng)度的60%左右，到90d齡期時才能達(dá)到設(shè)計要求。從檢測效果的角度出發(fā)，齡期越長，強(qiáng)度越高，檢測效果越好。如果過早地進(jìn)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(shè)?；蛴捎阪R擊時，因為樁身整體強(qiáng)度不高，形成波形的低頻震蕩，導(dǎo)致無法進(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(yīng)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(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的關(guān)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(zhǔn)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(shè)計要求(設(shè)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(shè)計樁長的短樁，2號樁為按設(shè)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(jìn)行檢測。首先檢測2號樁，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)參考樁。實測波形清晰，樁底反射明顯。按設(shè)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(jìn)一步可對線內(nèi)同期工程樁進(jìn)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(dāng)，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(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(guān)數(shù)據(jù)庫，才能真正使反射波法檢測水泥攪拌樁走向應(yīng)用。
    其次，反射波法應(yīng)用的對象應(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水泥攪拌樁的應(yīng)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(jìn)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(jìn)行綜合評價。