基础桩低应变反射波法动测中的波速控制

陈 铣,陈 挺

(1.温州市鹿城区西向排洪工程建设指挥部,浙江 温州 325007;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 基础桩反射波法动测中波速的特点

在工程桩的质量检测中,目前低应变反射波法动测用得非常普遍。检测时,用锤在桩顶施加竖向激振,击发向下传播的弹性波。当桩身存在断桩、离析、缩颈等缺陷,或扩颈及弹性波到达桩底时,由于存在波阻抗差异,引起弹性波反射,被设置于桩顶的速度 (或加速度)传感器接收,通过动测仪器便可获得弹性波的速度时域曲线。在曲线中能见到桩顶激振信号t0、桩底反射时间td,及由缩颈、扩颈、离析、断桩造成的反射波信号t1、t2、…tX

分析时,依据反射波的相位、幅度及波形特征,评判缺陷的性质(扩颈、缩颈或离析),评估缺陷程度。

依据桩顶、桩底反射时间差△T(=td-t0)及桩长L,求得弹性波在桩中的传播速度C,C=2L/△T。

桩体弹性波速C是一个重要的数据,它常常被用于:

(1)推算缺陷位置。当异常反射时间为△tX(=tX-t0),则缺陷距桩顶的距离x=C△tX/2;

(2)粗略评估桩体混凝土质量。弹性波在桩中传播时,波速C、混凝土弹性模量E、及材料密度ρ之间存在如下关系:C2=E/ρ。由公式可见:波速 C与弹性模量E成正比,即桩的刚度越大,桩身混凝土强度越高,所测得的波速越高。

但是,桩体波速C与混凝土强度等级间不是单一的正相关关系,C还与诸多因素有关,如:混凝土粗骨料品种、粒径、配合比、含水率、养护方式、成桩工艺等等,甚至还与动测激振的弹性波频率 (波长)有关。下表为根据有关资料总结的 《一维纵波波速与混凝土强度等级间的对应关系》(表1)。表中可见:同一强度等级的混凝土波速高低可相差达20%或以上,而且不同混凝土强度等级之间存在波速交叉的现象。因此,不能简单地依据波速去评定混凝土强度等级,也不能简单地依据混凝土强度设计等级去核对桩长。

低应变动测对桩体混凝土质量的控制,目前通常的方法是:按照工程监理或施工单位提供的施工桩长,及动测得到的桩底反射时间,获得桩体波速,依据设计强度等级及 “对应关系”中波速范围,看动测波速是否与混凝土设计强度等级相匹配来评估。显然这是粗略的。

由于波速的这一特点,提醒在检测中对于波速问题应慎重对待,不应简单套用而引起误判,也不应忽视波速的高低。现从下面2个涉及到波速控制的案例加以分析讨论。

2 工程案例

2.1 案例1

某工程河道堤岸基础桩,置于淤泥地基中。设计桩径￠600 mm,设计桩长20 m,为摩擦桩。设计桩体混凝土强度等级C20,选用商品混凝土灌注成桩。现场动测采用高阻尼速度传感器,所得速度时域曲线中桩底反射明显,(见例图1),如果从桩底反射前的波形看,大部分桩没有出现较明显的缺陷反射,可评为“完整桩”,但从波速看,不得不提醒我们须慎重对待:在所测的114根桩中,波速2.8～3.5 km/s为5根,占动测桩数的4.4%。3.6～3.8 km/s为22根,占19.3%;3.9～4.4 km/s为87根,占76.3%。对照上表可见C20混凝土的特征波速为3.2km/s,波动范围一般应在2.8～3.5 km/s之间。按实测波速来看,占76.3%的动测桩的混凝土强度等级在C35以上,波速偏高的情况相当突出。

分析造成波速偏高有以下几种可能原因:

(1)基础桩使用的商品混凝土,其中添加了某种成份,致使波速出现异常。为此向提供商品混凝土厂家了解混凝土的级配、骨料及外加剂品种等情况,没有发现明显相异之处。

(2)桩体混凝土实际强度很高。同施工单位提供的桩体混凝土试块(150 mm×150 mm×150 mm)抗压强度资料看,实际桩体混凝土强度等级比设计强度等级高,但数值波动较大。不能完全解决疑虑。

(3)实际桩长不到设计要求值(20 m)。在波速计算公式C=2L/△T中,△T是实际桩长的弹性波传播时间,当计算时采用的桩长L大于实际桩长时,所得波速就会出现偏高情况。

对此,向施工方了解成桩情况及地质情况,从反映的情况看,工程场址地基士质很差,成孔速度快。还直接在工地检查进行钻孔施工的基桩成孔深度。从了解的情况看,没有发现波速偏高的确切原因。该工程基础桩为摩擦桩型,桩的长度直接关系到桩的承载力大小,是关系到工程安全的问题,为此最后只能决定进行钻孔取芯检查。

钻孔取芯检查选择2根动测桩进行,检查结果显示造成工程桩波速偏高的主要原因是:目前工程中大量使用的混凝土设计等级为C25,有时甚至更高。本工地使用的混凝土设计强度等级相对较低 (C20),每次使用的量又不多,容易出现厂家嫌麻烦,不特地拌制的情况,致使成桩所使用的商品混凝土,实际混凝土强度等级超过C20,造成动测波速偏高状况。同时,钻芯显示实际桩长在1根检测桩中也存在比设计长度偏短的情况。

这一案例提示,不能由于影响波速大小因素众多而漠视这一数值的控制意义,对于明显的异常须予以重视,查出偏高原因。

2.2 案例2

某桥梁工程基础桩。布置桩24根。设计桩径￠1200 mm,设计桩长38 m(桥墩)、28 m(桥台)2种,设计桩体混凝土强度等级C25,桩端持力层为砂砾石,采用自拌混凝土浇注成桩。

用低应变反射波法动测了其中12根桩。所得波速时域曲线相似性尚好,例图2是桥墩桩中的一根代表性波形。该桩名义桩长38.5 m,在时域曲线中 t=20.3 ms处出现同向反射,如视为桩底反射,则波速为3.79 km/s,符合C25混凝土强度等级的波速波动范围。在桩顶至此反射间,没有出现其它明显同向反射,此处确实像桩底反射。

由于该桥建成后来往车辆频繁,指挥部决定进行钻孔取芯检查。当钻机钻深5～6 m深后,芯样混凝土发生破碎,成块芯样取不上来。起初以为钻机陈旧所造成,在更换了钻机队伍后,同样的情况依旧发生。由于芯样破碎,一般的钻机钻具每次提钻时取上来只有少量芯样,大量的滑落在孔中,因此钻进速度很慢,钻芯工作被中途停止。

从动测所得波速值 (3.79 km/s)看,混凝土强度等级已在C25左右,钻芯芯样不应破碎。从动测波速时域曲线特征看,38 m以上未见异样反射,桩体应是连续的。而钻芯芯样破碎,反映的是实际强度低,或存在离析情况。从5 m以上获得的芯样看,骨料选用的是人工石,但明显粗骨料多,细骨料很少,而且使用的是细砂,级配明显存在问题,也是强度低的一个佐证。

这一案例提醒,单纯地依据波形曲线求取波速,并以此来作出基础桩完整结论有时是不可靠的。从波速公式C=2L/△T可以看出:当实际桩长不到设计桩长,同时混凝土质量低于设计要求时,计算所得的波速可以在正常范围内,从而造成误判。因此对于重要的工程在进行低应变动测普查的同时,再进行钻孔取芯抽检是必要的。

图1 某河道基础桩波速图

图2 某桥梁基础桩波速图

3 结 语

(1)低应变反射波法动测中,实测波速值是桩体完整性检测中常用的数据,由于影响波速的因素众多,应用此数据计算判断须避免简单套用,宜结合工程实际情况进行。

(2)对于波速明显异常的基础桩,不能只根据桩底反射前的波形特征进行桩体完整性判别。当找不出造成波速异常的确切原因时,须进行钻孔取芯检查,尤其是对于波速偏高的摩擦桩更需注意。

(3)对于重要工程桩或工程的重要部位,在进行低应变动测普查的同时,还需进行钻孔取芯法抽检。

[1]罗骐先.桩基工程检测手册 [S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]建设部.建筑基桩检测技术规范 [S].北京:建筑工业出版社,2003.

[3]罗福牛.建筑工程质量缺陷事故分析及处理[M].武汉:武汉理工大学出版社,1999.