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基于低應變檢測方法對巖溶地區(qū)樁基的研究及應用①

2022-06-27 03:57周仁戰(zhàn)
關鍵詞:基樁巖層巖溶

周仁戰(zhàn), 張 堯, 金 園, 姜 麗

(蚌埠學院土木與水利工程學院,安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

我國是世界上最大的巖溶地區(qū)之一,巖溶地貌的分布呈現(xiàn)面積大、分布廣的特點,但是巖溶地區(qū)分布呈現(xiàn)區(qū)域性,在西南、華南等地區(qū)最為典型[1]。巖溶地區(qū)往往具有地質情況復雜且不盡相同、地下水豐富、溶洞發(fā)育、暗溝河槽分布等特點,尤其在地下水豐富處會形成地下暗河通道,這些特點給樁基鉆探、施工作業(yè)帶來很大的不確定因素和困難[2]。絕大多數(shù)巖溶對建筑地基影響較大,但經(jīng)過處理或采取適當基礎形式后能作為多層甚至高層的建筑地基[3]。許多學者對巖溶地區(qū)的基礎形式進行了研究[4-7],往往停留在設計階段,對施工后樁基檢測方面的研究相對較少。本文以淮南市溶洞地區(qū)人工挖孔灌注樁工程檢測為實例,研究和分析在復雜地質條件下低應變反射波法對疑似缺陷的甄別。

1 低應變法原理

將聲學中的波動理論用于建設工程上的基樁檢測時,即為低應變法檢測樁基質量,其原理是:使用小能量瞬時激振的方法在樁基頂部進行錘擊,通過反映出的樁頂加速度或速度信號的時域、頻域曲線,采用波動理論在一維彈性桿狀體中傳播規(guī)律來分析判定基樁樁身完整性質量,即缺陷位置具體確定及其影響因素的方法(也叫瞬態(tài)激振時域頻域分析法)[8]。低應變法是可以來判別樁身完整性的一種無損的檢測方法,是評定基樁施工質量的一種有效手段[9]。在巖溶地區(qū),地質條件不均勻尤其存在軟弱夾層時,應力波在樁身傳播過程中受地層變化影響較大,實測曲線時會表現(xiàn)出不同類型的缺陷類反射,往往造成誤判[10]。

借助外力使用棒、重錘等物體敲擊混凝土樁頂時會沿樁身向下產(chǎn)生壓縮波,當樁身質量存在缺陷時就會有明顯的波阻抗(Z)變化界面,這時將產(chǎn)生透射和反射波,波阻抗(Z)的變化由反射的相位和幅值大小決定。樁身的材料密度(ρ)、樁身的傳播速度(C)以及樁的橫截面積(A)三者的乘積組成了樁身波阻抗(Z),具體的表達式如公式(1)所示。

假定在基樁中某個截面上存在一個波阻抗變化界面,截面上、下部的界面波阻抗分別用Z1和Z2表示,上部波阻抗Z1= ρ1c1A1,下部波阻抗Z2=ρ2c2A2,上下部波阻抗變化與樁身質量關系為:當Z1= Z2時,表示樁截面均勻,無缺陷;當Z1>Z2時,表示在樁截面相應位置上存在混凝土質量較差或截面縮小等缺陷,入射波與反射波速度信號相位完全一致;當Z1<Z2時,表示在樁截面相應位置上存在擴徑,入射波與反射波速度信號相位截然相反。樁身缺陷位置的可按公式(2)、公式(3)確定[11]。

式(2),(3)中:x代表傳感器安裝位置到樁身缺陷的距離(m),Δtx代表速度波第一波峰與缺陷反射波峰間的時間差(ms)。

2 基樁周圍土層(巖層)對低應變法的影響

低應變法在檢測基樁時會受到樁周土層(巖層)、微裂縫、尺寸效應等影響,導致采集數(shù)據(jù)不能準確的反映現(xiàn)場實際成樁質量。樁周邊的土層(巖層)其彈性力學性質是應力波自樁頂向樁底傳播的邊界條件,應力波沿著樁身傳播會受到樁周土巖層的影響,最終會引起能量損失和反射波干擾,其中在巖溶地區(qū)地質條件的不均勻性使得樁周土層(巖層)反射波的干擾較為明顯,直接反映于低應變實測曲線[12]。檢測時對樁頂部位施加激振,一部分應力波沿樁身方向垂直傳播,另一部分則傾斜射入周邊土層(巖層)中。基樁周圍土巖層所產(chǎn)生的兩種阻力(包括靜阻力和動阻力)對應力波的影響與樁身阻抗變化相似,基樁在施工時會碰到二類情況,一是進入軟夾層,屬于低阻抗介質,土阻力相對減小;相反的情況是進入硬夾層,此時屬于高阻抗介質,土阻力相對增大。當基樁進入軟夾層時,傳播時的實測曲線上將產(chǎn)生一個與入射波同相位的土阻力波,類似于縮徑類的反射信號;當基樁進入硬夾層時,傳播時的實測曲線上將產(chǎn)生一個與入射波反相位的土阻力波,類似于擴徑類的反射信號[13]。

3 工程地質概況

淮南市西部城區(qū)某一在建小區(qū),在樁基施工過程中遇到了巖溶地貌,以該小區(qū)1#樓為例進行說明,地下1層,地上33層,建筑高度97.6m,室內外高差為0.4m,建筑面積約2.75萬㎡,結構形式為剪力墻結構,設計使用年限為50年,抗震設防烈度為6度,采用人工挖孔灌注樁基礎。持力層為第⑤層中風化石灰?guī)r,設計總樁數(shù)115根,樁長均大于6m,樁徑兩種類型分別為800mm、1000mm,混凝土強度為C35。根據(jù)巖土工程勘察報告,該建筑場地為一級,地基土分層分布如表1所示。

表1 地基土層分布表

⑥-2 強風化片麻巖 0.70~21.50 2.40~19.40灰黃色、灰綠色,巖體裂隙發(fā)育極破碎,屬極軟巖,巖體質量基本等級為V 級。⑥-3 中風化片麻巖 該層未揭穿 / 灰色、灰綠色、灰白色,微裂隙發(fā)育,巖體較完整,屬較硬巖,巖體質量基本等級為III級。

工程物探分析結果表明1#樓所處場地地貌屬剝蝕殘丘,地質條件復雜,基巖面起伏明顯,巖溶發(fā)育較為強烈。側向和豎向溶蝕情況輪換出現(xiàn),分布呈現(xiàn)條帶狀發(fā)育,整體表現(xiàn)為深度廣、范圍大。鉆探時遇溶洞的洞隙率達到50%左右且洞隙大小為0.5m~8.0m 不等分布,溶洞內被硬塑狀粘土所充填,偶爾會遇到夾溶蝕化灰?guī)r碎塊,對工程的結構安全構成影響。溶洞分布見1#樓探點平面布置圖中云線區(qū)域,如圖1所示。

圖1 1# 樓探點平面布置圖

4 數(shù)據(jù)采集分析

工程低應變法的檢測儀器采用RS-1616KS型高分辨率工程測試儀,主要技術性能指標符合《基樁動測儀》JG/T3055的規(guī)定,且能進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與記錄。為全面掌握樁身的施工質量,采取在樁頭布置高阻尼的傳感器,傳感器在樁頭不同部位多次激發(fā)并采集多組數(shù)據(jù),現(xiàn)場測試依據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》JGJ106—2014 第8 章低應變法進行[11]。 聲波在混凝土中波速一般為3000m/s~4000m/s,同時聲波速度和混凝土的密實度成正比,混凝土密實度越高,聲波速度越快。

項目共采集數(shù)據(jù)115組,混凝土在基樁樁身的波速范圍為3330m/s至3691m/s,波速的平均值3609m/s。本工程勘察采取 “一樁一孔”布置,參考探孔圖選取3根可能受地層影響而出現(xiàn)缺陷類反射的低應變法實測曲線進行分析研究。基樁的基本參數(shù)及低應變法分析如表2所示。

表2 基樁參數(shù)及低應變法分析

由圖2 和表1 可知,樁號7-3#的樁長13.00m,在樁的底部反射并不明顯,混凝土在該樁的波速約3788m/s。在4.73m 處有較明顯反向子波,現(xiàn)場澆注混凝土充盈系數(shù)正常,參考探孔圖可知在樁頂標高下3.44m~7.97m 存在阻抗較大的石灰?guī)r層,應力波通過基樁時經(jīng)歷的介質依次為“低阻抗→高阻抗→低阻抗”,在低應變法實測曲線呈現(xiàn)反向反射。根據(jù)該基樁低應變法實測曲線得出:在4.73m 處存在缺陷類反射是由于樁周圍的土層影響所致,不存在樁身擴徑現(xiàn)象。

圖2 7-3# 基樁低應變法實測曲線

由圖3 和表1 可知,樁號9-1#的樁長7.80m,在樁的底部有輕微樁底反射,混凝土在該樁的波速約3688m/s。在樁長的4.15m 處出現(xiàn)了明顯反向子波,該情況與7-3#基樁相似,缺陷反射位置系粘土層間下附阻抗較大的石灰?guī)r層,應力波通過基樁時經(jīng)歷的介質依次為 “低阻抗→高阻抗→低阻抗”,在低應變法實測曲線分析圖上呈現(xiàn)反向反射。根據(jù)該基樁低應變法實測曲線得出:在4.15m 處存在缺陷類反射是由于樁周圍的土層影響所致,不存在樁身擴徑現(xiàn)象。

圖3 9-1# 基樁低應變法實測曲線

由圖4 和表1 可知,樁號12-1#的樁長9.00m,在樁的底部有輕微樁底反射,混凝土在該樁的波速約3584m/s。在樁長3.39m 處出現(xiàn)了輕微同向子波,從巖土工程勘察中的探孔報告可知,該基樁對應探孔存在厚度約1.3m 的粘土夾層(溶洞),應力波通過基樁時經(jīng)歷的介質依次為 “高阻抗→低阻抗→高阻抗”,在低應變法實測曲線分析圖上呈現(xiàn)同向反射。根據(jù)基樁低應變法實測曲線得出:在3.39m 處存在缺陷類反射是由于樁穿過軟弱土層所致,不存在樁身的工程質量缺陷問題。

圖4 12-1# 基樁低應變法實測曲線

5 結 語

基于低應變法原理,分析了基樁周圍土層(巖層)對實際檢測的影響;同時,由基樁低應變法實測曲線和基樁參數(shù),分析樁身缺陷類的位置,巖溶地溶洞的大小。研究分析表明:

(1)低應變法在復雜的地質條件能夠檢測基樁完整性,但應綜合考慮巖土工程詳勘報告、施工情況綜合分析以及成樁工藝以回避地層對曲線影響,從而提高判別的準確性和嚴密性;

(2)低應變法可以定性判定缺陷的位置和嚴重程度,但無法定量分析缺陷。為保證地基基礎的安全性,同時考慮到建筑成本,可采用靜載試驗、聲波透射法或鉆芯法的一種或多種方法進行驗證檢測;

(3)基于國內傳感器技術發(fā)展情況,將位移式傳感器用樁基檢測技術上以提高檢測的準確性。

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