，，

(1.中南大學 a.有色金屬成礦預測教育部重點實驗室；b.地球科學與信息物理學院，長沙 410083;2.中國人民武裝警察部隊 水電第七支隊，江西 鷹潭 335000)

1 檢測原理及發(fā)展現(xiàn)狀

低應變反射波法理論基礎(chǔ)為一維彈性桿縱波理論[1],其操作簡便，成本低廉，能有效地判斷樁身完整性類別或局部缺陷，是目前應用最廣泛的基樁完整性檢測方法之一，但其仍具有不容忽視的局限性，會致使檢測結(jié)果出現(xiàn)誤判。對國內(nèi)外低應變反射波法完整性檢測的發(fā)展現(xiàn)狀進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對低應變完整性檢測的局限性所做的研究主要集中于尺寸效應，而對于在自身成樁工藝和樁周地層的綜合影響下的局限性少有探討。在不同地質(zhì)條件下實際檢測發(fā)現(xiàn)，樁周復雜多變的地層條件往往對基樁完整性檢測有著不容忽視的影響，而且這種影響也是非常復雜的。人工挖孔樁是我國應用最廣泛的一種樁型，由于自身成樁工藝，其護壁對樁身質(zhì)量和樁身承載力有著關(guān)鍵的作用，又在樁周地層的影響下，人工挖孔樁低應變反射波法完整性檢測的局限性更為凸顯。所以探討人工挖孔樁低應變反射波法完整性檢測的局限性，可以為未來同類型樁的低應變完整性檢測提供參考和經(jīng)驗，進一步完善低應變反射波法完整性檢測，提高其準確率。

圖1 彈性波在波阻抗變化界面的透射和反射

彈性波在樁身中傳播，當樁身存在明顯的波阻抗界面時，便會產(chǎn)生反射波[2]。從樁身中反射回來的反射波是低應變反射波法判斷樁身質(zhì)量的依據(jù)，所以分析反射波性質(zhì)是低應變反射波法至關(guān)重要的一步。當彈射波傳播至2種介質(zhì)的界面，且這個界面存在明顯的波阻抗差異時，會產(chǎn)生一個擾動，這個擾動會分別向2種介質(zhì)中傳播，形成反射波和透射波[3],如圖1所示。

根據(jù)界面處連續(xù)條件，得到力平衡和速度平衡方程：

FI+FR=FT；

(1)

VI+VR=VT。

(2)

式中：FI,FR,FT為反射界面處的質(zhì)點力；VI,VR,VT為反射界面處的質(zhì)點的運動速度，I，R，T分別表示入射波、反射波和透射波。

應力波作用下，質(zhì)點的運動速度V與應力σ的大小和材料性質(zhì)的關(guān)系式如下：

V=σ/ρc=F/ρcA。

(3)

由式(3)易得

|F/V|=ρcA=EA/c=Z。

(4)

式中：F為樁身受力；V為質(zhì)點的運動速度；Z為樁身截面的力學阻抗；ρc為樁介質(zhì)波阻抗；E為介質(zhì)的彈性模量。

由式(1)至式(4)可得，波阻抗明顯變化界面處的反射波和透射波分別引起的質(zhì)點運動速度如下：

VR=V1(Z-Z′)/(Z+Z′) ；

(5)

VT=2V1Z/(Z+Z′) 。

(6)

式中：Z,Z′為樁身不同波阻抗處的力學阻抗。

將式(5)除以VI得到：

K=(Z-Z′)/(Z+Z′)=

(ρcA-ρ′c′A′)/(ρcA+ρ′c′A′)。

(7)

式中：K為反射系數(shù)；ρcA為樁身混凝土廣義波阻抗；ρ′c′A′為樁身缺陷或樁端持力層的廣義波阻抗。

式(7)即為低應變反射波法檢測樁身完整性時對反射信號進行分析判斷的重要依據(jù)。若所檢測樁身完整，不存在波阻抗差異，檢測儀器所接收到的反射波基本上是從樁底反射上來的。若樁身存在波阻抗差異，由式(7)可知，K值會在0～±1內(nèi)變化，且K≠0，可以得出如下結(jié)論：

(1) 當K>0時，反射波與初始入射波同相，如A≠A′，那么ρc>ρ′c′，說明樁身離析、夾泥、斷裂，或樁底波阻抗相對減小；如ρc=ρ′c′ ，那么A>A′，說明樁身存在縮頸部位。

(2) 當K<0時，反射波與初始入射波反相，如A≠A′，那么ρc<ρ′c′，波阻抗相對增大，說明樁身強度開始增大或者樁身開始嵌巖；如ρc=ρ′c′，那么A

2 現(xiàn)場試驗

本試驗對湖南省某電廠基樁工程的人工挖孔樁進行了低應變反射波完整性檢測。

2.1 應力波在樁身中波速和樁身缺陷位置的確定

受檢測樁樁長L已知，樁底反射信號明確，速度波第一波峰和樁底反射波峰之間的時間差 (如圖2所示)可直接讀取，樁身波速值可按下式計算:

(8)

圖2 缺陷樁的典型低應變時程曲線

則樁身缺陷位置可采用下式計算：

(9)

式中：X為樁身缺陷位置到傳感器安裝點的距離；Δtx為速度波第一波峰和缺陷反射波峰之間的時間差(見圖2)；c為受檢測樁的樁身波速度。

2.2 檢測驗證結(jié)果

對低應變測試數(shù)據(jù)采集的若干要點進行了分析和總結(jié)，安裝傳感器前處理樁頭，正確安裝傳感器，正確進行激振操作，合理設(shè)定測試參數(shù)，并排除人為操作不當或數(shù)據(jù)、曲線分析不準確對本次試驗所造成的干擾，對所采集的合格曲線進行正確的分析，從而實現(xiàn)了利用低應變反射波法對測試曲線表現(xiàn)為若干復雜形態(tài)的某電廠人工挖孔樁的樁身完整性類別進行判斷。通過鉆芯驗證以及結(jié)合工程地質(zhì)資料和施工資料，對同一場地基樁檢測結(jié)果進行對比分析，并參考規(guī)范[4]中的規(guī)定，最終對該電廠的若干基樁的樁身完整性進行了正確判斷。這些基樁的樁身完整性綜合判定如下所示:

(1) 信號樓D9#基樁，樁徑800 mm，樁長11.40 m，混凝土強度等級C25，樁身低應變完整性為Ⅱ類，鉆芯法完整性為Ⅰ類，裝身質(zhì)量綜合判定為合格。

(2) 2#鍋爐房16#基樁，樁徑1 200 mm，樁長20.70 m，混凝土強度等級C30，樁身低應變完整性為Ⅱ類，鉆芯法完整性為Ⅰ類，裝身質(zhì)量綜合判定為合格。

(3) 2#鍋爐房3#基樁，樁徑1 200 mm，樁長17.10 m，混凝土強度等級C30，樁身低應變完整性為Ⅲ類，鉆芯法完整性為Ⅰ類，裝身質(zhì)量綜合判定為合格。

(4) 2#鍋爐房46#基樁，樁徑1 200 mm，樁長17.70 m，混凝土強度等級C30，樁身低應變完整性為Ⅲ類，鉆芯法完整性為Ⅰ類，裝身質(zhì)量綜合判定為合格。

(5) 煙囪28#基樁，樁徑1 000 mm，樁長13.50 m，混凝土強度等級C30，樁身低應變完整性不確定，鉆芯法完整性為Ⅰ類，裝身質(zhì)量綜合判定為合格。

(6) 1#鍋爐房14#基樁，樁徑1 200 mm，樁長28.40 m，混凝土強度等級C30，樁身低應變完整性不確定，鉆芯法完整性為Ⅰ類，裝身質(zhì)量綜合判定為合格。

(7) 鐵路橋2-1#基樁，樁徑1 500 mm，樁長20.30 m，混凝土強度等級C25，樁身低應變完整性為Ⅲ類，鉆芯法完整性為Ⅰ類，裝身質(zhì)量綜合判定為合格。

(8) 辦公樓11#基樁，樁徑1 200 mm，樁長25.30 m，混凝土強度等級C30，樁身低應變完整性不確定，鉆芯法完整性為Ⅳ類，樁身質(zhì)量綜合判定為不合格。

3 驗證結(jié)果與分析

3.1 信號樓D9#基樁

信號樓場地14根基樁，經(jīng)低應變反射波法完整性檢測，其中13根基樁的低應變樁身完整性類別為Ⅰ類，僅D9#基樁為Ⅱ類。如圖3所示，D9#基樁的低應變時程曲線在4.7 m處有一比較明顯的同相反射，判斷該處樁身存在缺陷。但經(jīng)過鉆芯檢測并未發(fā)現(xiàn)該處樁身有缺陷，鉆取出的砼芯樣連續(xù)完整，判定其樁身鉆芯法完整性類別為Ⅰ類。

查閱施工記錄及地質(zhì)資料可得，信號樓場地地層條件簡單，無溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，14根基樁成孔和砼澆筑過程順利，但當時回填時僅D9#基樁5 m深左右回填過一薄層破碎煤矸石，其余13根基樁周圍回填為均一黏土。破碎煤矸石力學性質(zhì)非常差，而且遇水即軟化成流泥狀，能導致該處的廣義波阻抗減小。故可以判斷圖3中4.7 m處的同相反射是該處樁周煤矸石的軟夾層所造成的。

圖3 信號樓D9#基樁的低應變時程曲線

3.2 2#鍋爐房16#基樁

彈性波在阻抗變化界面處會反射，本文將這一次反射稱為一次反射波。這一次反射波向上傳播到達樁頂，一方面為檢測儀器接收，另一方面在樁頂這一波阻抗變化界面處引起反射，且此反射波向下傳播至樁身原波阻抗變化界面處造成相對入射波的同相反射，這一反射可以理解為該樁身原波阻抗變化界面的二次反射[5]。此二次反射波所導致的質(zhì)點運動速度與最初的入射波所引起的質(zhì)點運動速度方向一致，它向上傳播被檢測儀器所接收。由于二次反射波傳播到樁頂所用的時間是一次反射波傳播到樁頂所用的時間的2倍，且低應變時程曲線所表示的是樁頂處檢測點位置的速度響應[5]，所以，二次反射在低應變時程曲線上表現(xiàn)為，在一次同相(異相)反射之后的2倍距離處出現(xiàn)一相對入射波的同相反射。從上述可知，二次反射的存在必然會給低應變反射波完整性檢測帶來不容忽視的影響，2#鍋爐房16#基樁的低應變時程曲線就屬于這種情況。

16#基樁低應變時程曲線如圖4所示。低應變時程曲線中，6.2 m和12.2 m位置出現(xiàn)同相反射，據(jù)此判斷其低應變樁身完整性類別為Ⅱ類，但經(jīng)鉆芯取樣檢測卻并未發(fā)現(xiàn)任何樁身缺陷，故判斷其鉆芯法完整性類別為Ⅰ類。查閱工程勘察資料可知，2#鍋爐房場地地層較為復雜，并伴有大小溶洞。據(jù)施工資料記錄，16#基樁孔開挖至6 m左右出現(xiàn)了小溶洞，施工單位用一些稻草和砂石進行了松散充填處理，而其它深度地層良好，未再出現(xiàn)溶洞。由此可判斷，16#基樁低應變時程曲線6.2 m處的同相反射是樁身混凝土和溶洞中的松散充填物間界面的波阻抗變化引起的，而12.2 m處的同相反射是6.2 m處的同相反射的二次反射。

圖4 2#鍋爐房16#基樁的低應變時程曲線

3.3 2#鍋爐房3#基樁

如圖5所示，2#鍋爐房3#基樁的低應變時程曲線形態(tài)復雜，在首波和樁底反射波之間出現(xiàn)多次反射，據(jù)此判斷樁身低應變完整性類別為Ⅲ類。但鉆芯取樣結(jié)果顯示，樁身混凝土取芯率高，芯樣多呈柱狀，骨料分布均勻，樁身質(zhì)量較好，因此可判斷其樁身鉆芯法完整性類別為Ⅰ類，且可認定低應變時程曲線中的多次反射不是樁身混凝土波阻抗變化所引起的。

圖5 2#鍋爐房3#基樁的低應變時程曲線

據(jù)施工資料記錄，2#鍋爐房3#基樁孔開挖至3 m左右深出現(xiàn)巖石，9 m至12 m左右出現(xiàn)一個橫向直徑為3 m大的溶洞，當時施工人員對這個溶洞采取的處理方法是用混凝土進行澆筑封堵。因此可以判斷，低應變時程曲線3.3 m處的異相反射應該是入巖反射，6.6 m處的同相反射則是3.3 m處入巖反射的二次反射，而又因為對溶洞采用混凝土澆筑封堵，造成樁身變相擴徑和變相縮徑，故低應變時程曲線9.1 m處出現(xiàn)的異相反射是溶洞頂位置的擴徑反射，12.3 m處出現(xiàn)的同相反射是溶洞底的縮徑反射。

3.4 2#鍋爐房46#基樁

從圖6可以看出，2#鍋爐房46#基樁的低應變時程曲線在6.13 m和11.98 m兩處分別有一個同相反射波，判斷其低應變樁身完整性類別為Ⅲ類；但經(jīng)鉆芯取樣檢測發(fā)現(xiàn)，樁身混凝土芯樣完整連續(xù)，質(zhì)量良好，樁身鉆芯法完整性為Ⅰ類。因此，該低應變時程曲線的2個同相反射波不是樁身質(zhì)量缺陷所致。

人工挖孔樁先挖孔，后成樁，其間有一個非常重要的工序——護壁。有時由于樁周上下地層條件的不同，同一人工挖孔樁不同部位會采用不同材料來護壁，常見的有混凝土、磚塊等。這樣，不同護壁會導致樁孔上下內(nèi)徑不同，也就會導致樁身上下樁徑不同。當時，2#鍋爐房46#基樁孔在6.1 m以上采用磚塊護壁，而6.1 m以下采用混凝土來護壁，這就導致了樁身6.1 m處上下樁徑不同，所以低應變時程曲線在此處出現(xiàn)反射。從該低應變時程曲線可以看出，11.98 m處的同相反射波幅值相比6.13 m處的同相反射波幅值較小，11.98 m處距樁頂距離正好是6.13 m處距樁頂距離的兩倍，因此可判斷11.98 m處的同相反射是6.13 m處反射的二次反射。

圖6 2#鍋爐房46#基樁的低應變時程曲線

3.5 1#鍋爐房14#基樁、煙囪28#基樁和鐵路橋2-1#基樁

低應變時程曲線上的樁端反射在樁身完整性類別判定中具有重要作用，其具體表現(xiàn)為：①有無樁端反射是低應變樁身完整性分類的一個參考依據(jù)；②樁身中應力波的傳播波速是判定樁身混凝土質(zhì)量的一個重要指標。要想確定波速，就得先確定樁長和應力波從樁頂傳播至樁底再從樁底傳播到樁頂所用的時間。通常情況下，樁長是已知的，而時間的確定就得依賴于低應變時程曲線上的樁端反射的確定；③同時，雖然規(guī)范中沒有規(guī)定樁端反射的相性和幅值可以反映樁端持力層的性狀，但實際檢測工作中，樁端反射對樁端持力層情況的反映是不可以忽視的。

然而在低應變時程曲線上確定樁端反射也不是那么容易的，首先，樁端反射會在波阻抗或者樁長等因素的影響下變得微弱或幾乎沒有，這將導致很難確定樁端位置；其次，樁端反射的相性可能會被改變，這又將導致誤判樁端持力層的性狀。

1#鍋爐房14#基樁、煙囪28#基樁和鐵路橋2-1#基樁低應變時程曲線分別如圖7所示。1#鍋爐房14#基樁、煙囪28#基樁低應變時程曲線相似，均無樁端反射，無法從時程曲線判斷其完整性類別；鐵路橋2-1#基樁低應變時程曲線7 m左右有比較強烈的異相反射，樁端附近有明顯的同相反射，判斷該樁低應變樁身完整性類別為Ⅲ類。然而鉆芯結(jié)果顯示這3根基樁樁身質(zhì)量較好，均可以判定為鉆芯法完整性Ⅰ類。參照對比同一場地、同一地質(zhì)條件、樁型和成樁工藝相同的基樁低應變時程曲線，結(jié)合鉆芯成果分析可知，1#鍋爐房14#基樁時程曲線無樁端反射，是因為應力波在樁身中的傳播是一個能量不斷被衰減的過程，如果樁長過長則會導致應力波能量被衰減殆盡，應力波不能傳播到樁底或者不能從樁底反射回樁頂；煙囪28#基樁則因為樁端持力層波阻抗與樁身混凝土波阻抗相匹配，使得樁端界面沒有明顯的波阻抗變化，以致入射波全部透射進持力層，也就無法產(chǎn)生樁端反射波。而鐵路橋2-1#基樁樁端附近出現(xiàn)的強烈同相反射，是樁身7 m左右的異相反射的二次反射與樁端反射的疊加，由于該二次反射的幅度很長，延伸到了樁端，以致造成誤判。

圖7 低應變時程曲線

圖8 辦公樓11#基樁的低應變時程曲線

3.6 辦公樓11#基樁

如圖8所示，辦公樓11#基樁低應變時程曲線無樁端反射，但也無其他缺陷反射，故初步判斷樁身質(zhì)量良好。經(jīng)鉆芯進一步檢測驗證發(fā)現(xiàn)，樁底無沉渣，以中等風化炭質(zhì)灰?guī)r為持力層，混凝土膠結(jié)度差，完整芯樣很少，整體呈碎塊狀，從25.3 m長的基樁中所鉆出來的芯樣用一個5 m長的芯樣盒就裝下。據(jù)此可判斷此樁鉆芯法完整性類別為Ⅳ類。

辦公樓11#基樁樁身質(zhì)量如此差，為何低應變時程曲線上沒有體現(xiàn)，低應變反射波法檢測失效？一維彈性桿件假設(shè)是低應變反射波法檢測基樁完整性的基礎(chǔ)，如果基樁不能滿足一維彈性桿件假設(shè)條件，則低應變反射波法對此基樁的檢測也就失效。某些基樁樁身很長，入巖較早，如樁身與樁周圍巖連接好，且樁周圍巖波阻抗與樁身波阻抗相差不大，則基樁入巖的這一長段樁身已經(jīng)很難滿足將檢測樁作為一維彈性桿件的要求[6-8]，這就會導致低應變反射波法的失效。

辦公樓11#基樁未按設(shè)計要求用規(guī)定的商品混凝土進行澆筑，而是采用施工單位自配的混凝土澆筑的，混凝土強度達不到設(shè)計要求，樁身波阻抗與圍巖波阻抗無明顯差異，使得該樁不能滿足一維彈性桿件的假設(shè)條件，最終導致低應變反射波法檢測失效。

4 結(jié) 論

通過對湖南某電廠基樁工程檢測成果分析與總結(jié)，人工挖孔樁的低應變反射波完整性檢測的局限性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 樁周地層變化對低應變完整性檢測所引起的干擾，如信號樓的D9#基樁。

(2) 波阻抗變化界面的二次反射所產(chǎn)生的干擾，如2#鍋爐16#基樁。

(3) 樁周地層的變化和二次反射的共同影響，如2#鍋爐房場地3#基樁。

(4) 不同護壁對低應變完整性檢測的干擾，如2#鍋爐房的46#基樁。

(5) 樁周地層和樁端持力層的性狀及樁身長度對樁端反射產(chǎn)生的影響，如1#鍋爐房的14#基樁、煙囪的28#基樁和鐵路橋的2-1#基樁。

(6) 樁身和樁周圍巖相互作用下使低應變完整性檢測失效，如辦公樓的11#基樁。

參考文獻：

[1] 陳 凡，王仁軍.尺寸效應對基樁低應變完整性檢測的影響[J].巖土工程學報，1998,20(5)：92-96.(CHEN Fan, WANG Ren-jun. Dimension Effect on Low Strain Integrity Testing of Piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1998, 20(5)：92-96.(in Chinese))

[2] 陳正印，柯宅邦，劉東甲，等.低應變反射波法判別PHC管樁接頭質(zhì)量的研究[J].巖土工程學報，2011,33(2)：209-212.(CHEN Zheng-yin, KE Zhai-bang, LIU Dong-jia,etal. Tests on PHC Pipe Pile Joint Quality by Low-strain Reflected Wave Method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011,33(2)：209-212.(in Chinese))

[3] 王禮立.應力波理論[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985：140-145.(WANG Li-li. Stress Wave Theory[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1985：140-145.(in Chinese))

[4] JGJ106—2003,建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.(JGJ106—2003, Technical Code for Testing of Building Foundation Piles[S]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2003.(in Chinese))

[5] 劉卡偉.人工挖孔樁完整性低應變反射波法檢測實踐與局限性研究[D].長沙：中南大學，2010.(LIU Ka-wei. Application and Restrictions of Low Strain Reflected Wave Dynamic Test for Manual Holing Cast-in-place Pile’s Integrity[D]. Changsha: Central South University, 2010.(in Chinese))

[6] 高 峰.樁基工程動測技術(shù)與方法[M].武漢:中國地質(zhì)大學出版社,1997：77-86.(GAO Feng. Techniques and Methods of Pile Foundation Dynamic Testing[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 1997：77-86.(in Chinese))

[7] 趙紅利, 朱廣林，林育軍，等.低應變判斷嵌巖樁樁底巖土性狀方法研究[J].西部探礦工程,2005,17(4):36-38.(ZHAO Hong-li, ZHU Guang-lin, LIN Yu-jun,etal. Research into Low Strain Methods of Judgment of Rock-Socketed Pile Bottom’s Rock and Soil Properties[J]. West-China Exploration Engineering, 2005, 17(4): 36-38.(in Chinese))

[8] 徐保林.淺談嵌巖樁反射信號的特征與分析方法[J].山西建筑,2007,33(19)：84-85.(XU Bao-lin. Characteristics and Analysis Method for Reflected Signals of Rock Socketed Pile [J]. Shanxi Architecture, 2007, 33(19)：84-85.(in Chinese))