低应变法在铁路桥梁嵌岩桩检测中的应用分析

胡在良，李晋平，董承全，熊昌盛，孟军涛

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

嵌岩桩以其桩端嵌入岩层而得名，在我国已被广泛应用于铁路、建筑、市政、公路、港口码头等工程领域[1]。由于嵌岩桩承载力较高、土阻力高、长径比小，且受施工工艺、地质界面等因素的影响，采用低应变法检测时，应力波受到的干扰信号复杂，如何科学、准确地进行嵌岩桩完整性评价，仍是低应变法检测的难点。

在铁路工程中，桩径≥2 m或桩长＞40 m或复杂地质条件下的基桩，需要埋设声测管进行声波透射法检测，当桩长＞40 m且桩径＞2 m时，通常采用低应变法检测[2]。本文从低应变法检测原理、嵌岩桩低应变波形特点等方面分析，并结合典型工程实例对检测常见问题进行了分析探讨。

1 低应变法检测原理简介

低应变法检测的基本原理是在桩顶施加激振力产生应力波，应力波沿桩身传播过程中，遇到蜂窝、夹泥、离析、断桩等缺陷及扩缩径和桩底时，由于波阻抗发生变化，将产生反射波。通过分析反射波的时程、相位、幅值和波形特征，判定桩的完整性。

1.1 波动方程

将桩视为一维弹性直杆，由一匀质材料构成，各物理力学参数如弹性模量E、质量密度ρ为常数，且横截面A在受力时保持平面，忽略桩内外的阻尼和表面摩擦力的影响，桩周和桩端的约束力和支承作用，由桩端一个弹簧来代替桩的力学模型。当杆的顶部受到一激振力f(t)后，杆内产生纵向应力波，由杆的顶端向杆的底部传播。一维波动方程为[3-5]

式中，ρ为质量密度;E为杆的弹性模量;u为x方向质点位移。令式(1)变换为

式(2)一维波动方程的达郎贝尔解为

式(3)中，f，g分别为(x－ct)，(x+ct)的任意函数。f(x－ct)为下行波，沿 x轴向下正向传播，g(x+ct)为上行波，沿x轴向上负向传播，应力波传播速度为c。

1.2 缺陷类型与位置判定

当弹性直杆的波阻抗Z=ρcA发生变化时，应力波在杆中的传播将会产生反射、透射和折射。假设桩中某处阻抗发生变化，当速度入射波 vi从介质1(阻抗Z1)进入介质2(阻抗 Z2)时，将产生速度反射波 vr和速度透射波vt，由界面处力平衡及速度连续条件得[5]

Z1＞Z2时，速度反射波 vr和速度入射波 vi同号(同相位)。当桩下部发生了断桩、离析或缩颈等缺陷时，反射波与入射波同相位。

Z2＞Z1时，速度反射波 vr和速度入射波 vi异号(反相位)。当应力波由软材料向硬材料方向传播时，或者应力波由截面积小的向截面积大的方向传播，桩出现了扩径或桩底嵌固的情况时，反射波和入射波反相位。

低应变反射波法是根据反射波与入射波的相位以及应力波传播时间进行完整性判定。其中缺陷的程度根据缺陷反射波的幅值定性确定，缺陷位置根据反射波的时间tx由式(6)确定。缺陷桩典型时域曲线如图1。

式中，Lx为缺陷深度。

图1 缺陷桩典型时域曲线[6]

图1 中，横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为振动幅值，单位为mm/s。L为桩长，c为应力波波速。

2 嵌岩灌注桩低应变法检测常见问题

2.1 嵌岩桩承载性状分析

人们的传统观念和国内外的许多教科书都曾把嵌岩桩视为端承桩(柱桩)。资料分析表明[1]，嵌岩桩即使是在无覆盖层条件下，或属于长径比＜5的短桩，也并非一律都是端承桩，而较长的嵌岩桩大多属于摩擦桩，很长的嵌岩桩则完全属于摩擦桩。

文献[7]收集了不同地质条件下灌注型嵌岩桩的荷载试验资料，分析表明[1]，所有桩的侧阻力分担荷载比都超过了60%，其中大部分在80%以上，端阻分担的荷载只占总承载力的一小部分，属于摩擦桩或端承摩擦桩。嵌岩桩的端阻力分担桩顶极限荷载之比(Qsu/Qu)随嵌岩深度与桩直径之比(hr/d)增大而急剧减少，嵌岩愈深，端阻的贡献愈小，当桩身的弹性模量与岩石弹性模量之比甚小(hr/d＞3)时，端阻的贡献可接近于零。

因此，对于嵌岩桩的质量控制，并非一律按端承桩对待，应结合设计资料、检测与验收标准进行基桩施工质量评价。

2.2 嵌岩桩低应变法检测波形特点

1)桩底反射不明显

通常认为，当桩底岩层波阻抗大于桩身波阻抗，桩底信号呈反向特征，当桩底岩层波阻抗接近桩身波阻抗，桩底反射不明显，当桩底存在沉渣、嵌岩效果不好或未入岩，桩底呈同向反射。

对于嵌岩桩，由于应力波传递、地质界面反射、桩身缺陷及截面变化等因素，导致传到桩端的应力波能量较少，很难测到桩底反射信号。通常嵌岩桩桩端岩层较好，波形具有明显入岩反射信号，桩底反射也不明显。

2)小长径比桩波形振荡信号明显

通常情况下，采用低应变法测试较短的大直径灌注桩时，常出现波形振荡信号。当检测经验不足时，容易与缺陷信号混淆，造成误判。

资料分析表明[3，6]:低应变法的理论基础以一维线弹性杆件模型为依据，受检桩的长径比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩横向尺寸之比均宜 ＞5。当激励脉冲频谱中的有效高频谐波分量波长λ0与被检基桩的直径D之比较小时(λ0/D＜5)，一维纵波杆件传播的问题转化为应力波沿具有一定横向尺寸柱体传播的三维问题;当激励脉冲的波长与桩长相比较大时，桩身的运动更接近刚体，波动性状不明显，对准确探测桩身缺陷、特别是浅部缺陷深度产生不利影响。有关资料表明，在以手锤敲击的大直径桩低应变测试中，常出现一种与测量系统频率特性无关的高频干扰，桩径愈大而脉冲窄时尤其严重。

长径比小的大直径桩低应变干扰信号通常比较明显。应采用合适的频率测试，分析时要考虑三维效应及高频信号干扰，并结合设计、施工资料综合分析。

3)桩径及桩周土层变化时信号复杂难识别

当桩身存在明显同向反射时，通常考虑是否由缺陷引起。但大量检测经验表明，当桩顶为扩大头而桩身渐扩后回缩到设计桩径时，以及桩周土层复杂时，会出现明显同向反射，部分伴有周期性振荡特征，与缺陷反射特征相似，容易造成误判，给桩身完整性评定带来一定的困难。

资料表明[6]，当桩身截面(阻抗)渐变或突变，在阻抗突变处的一次或二次反射常表现为类似明显扩径、严重缺陷或断桩的相反情形，从而造成误判。

4)低应变检测的局限性

低应变法操作简便、检测速度快，在工程基桩检测中得到广泛应用。但是，目前仍无法做到定量分析，无法准确区分缩颈、离析、夹泥等缺陷，对缺陷的大小与范围仅能作定性评价，经验性较强，分析误差大。

3 实例分析

3.1 实例 1

某山区铁路涵洞1－3#基桩，设计桩长11 m，设计桩径1.0 m，混凝土强度等级C20，挖孔灌注桩，设计为端承桩，设计最小嵌岩深度3.0 m，该地区地质条件复杂，岩溶、裂隙发育。低应变法检测结果表明，该桩桩底同向信号强烈，其桩底信号幅值为首波脉冲幅值的25%，实测波速3 613 m/s，实测低应变时域曲线如图2所示。

图2 某涵洞1－3#桩实测时域曲线

针对该测试波形，初步判定桩底沉渣过厚或持力层软弱，并立即组织开展钻芯法验证。为验证桩端质量，钻芯孔深度达16.1 m，钻芯结果表明:该桩实际施工桩长10.85 m，在 0～10.85 m段芯样良好、骨料均匀，10.85 m之下为软塑、棕黄色黏土夹少量碎石，桩端持力层岩土性状达不到设计要求，见图3。为综合分析该桩施工质量，对钻芯芯样进行了抗压强度试验，混凝土芯样试件抗压强度代表值为20.5 MPa，强度符合设计要求。考虑到桩端未进入设计要求的持力层，影响承载力的发挥，综合评定该桩为Ⅳ类桩。

图3 某涵洞1－3#桩钻芯芯样

对于嵌岩桩，无论是承载力以摩擦为主还是端承为主，其桩端岩土层较为坚硬、强度较高，则桩端岩土波阻抗高于或接近桩身波阻抗，桩端呈现反向反射或桩底不明显。当采用低应变法检测嵌岩桩质量时，如果其桩底反射信号呈明显同向特征，应怀疑其桩端混凝土质量或持力层岩土性状是否满足设计要求。

3.2 实例2

某山区铁路特大桥16－4#基桩，设计桩长6 m，设计桩径1.5 m，混凝土强度等级C25，挖孔灌注桩，采用声波透射法与低应变反射波法对比检测，低应变时域曲线见图4。

图4时域曲线中，存在振荡信号，且无明显桩底反射，经声波透射法检测，该桩桩身混凝土质量良好，无缺陷，为Ⅰ类桩，可见低应变时域信号的振荡特征并非由桩身缺陷引起。结合设计资料分析表明，该桩长径比等于4，低应变信号的三维效应明显，且高频干扰信号明显，存在波形振荡信号。

图4 某特大桥16－4#桩实测时域曲线

当浅部岩土层为岩层时，桥梁基桩通常采用长径比小的短桩，桩长小、桩径大，采用低应变法检测时高频干扰信号较强，波形复杂，检测时宜采用合理的测试频率，减少干扰信号的影响，并结合施工与地质资料综合分析，防止误判。

3.3 实例 3

某沿海铁路特大桥467－5#桩，设计桩长37.5 m，设计桩径1.5 m，混凝土强度等级C30，钻孔灌注桩，地质资料从上至下依次为:流塑状淤泥质黏土、硬塑状粉质黏土、软塑状粉质黏土、软塑状淤泥质黏土、软塑状黏土、弱风化含砾凝灰岩(基本承载力600 kPa)，设计最小嵌岩深度3.1 m，采用低应变法检测，实测低应变时域曲线见图5。

图5 某特大桥467－5#桩实测时域曲线

图5 (a)为初次检测(缺陷处理前)低应变波形曲线，桩底信号微弱，实测波速3 968 m/s，5.2 m处存在明显同向反射，初步判定该桩在5.2 m处存在缺陷。经核查该桩灌注记录，在该处混凝土灌注方量小于设计方量。根据低应变法检测结果进行钻芯法验证，在靠钢筋笼附近进行钻孔，其中一个孔在5.2～5.8 m段芯样破碎，其余两个孔芯样良好，因此该桩局部存在缺陷。针对该桩的缺陷位置、程度，施工单位进行了缺陷处理，达到测试龄期要求后进行了低应变法复检，波形见图5(b)。

与图5(a)时域曲线相比，经过缺陷处理后，图5(b)中467－5#桩5.2 m处同向反射信号消失，并且桩底反射比处理前明显，具备典型完整嵌岩桩波形特征。同时，随着龄期增长及缺陷的消除，低应变法检测波速略有增长，实测波速为4 000 m/s。

3.4 实例4

某沿海铁路特大桥472－5#桩，设计桩长34.5 m，设计桩径1.25 m，混凝土强度等级 C35，钻孔灌注桩。地质资料表明，在0～25.6 m段为泥质黏土及粉质黏土，无明显地质界面变化，在25.6～27.1 m段为强风化凝灰岩，在27.1～34.5 m段为弱风化凝灰岩，实测低应变时域曲线见图6。

图6 某特大桥472－5#桩实测时域曲线

图6 中时域曲线具有以下特点:2L/c时刻前，在t=5.1 ms处存在明显同向信号，t=12.7 ms处呈反向特征。该桩采用声波透射法与低应变法对比检测，声波透射法检测结果表明，桩身质量良好，为Ⅰ类桩，经核查施工、地质资料及灌注记录，该桩采用冲击钻施工，桩顶以下0～25.6 m段为软弱土层，在9～10 m段混凝土超方。取该场地低应变平均波速4 000 m/s进行分析，在低应变时域曲线t=5.1 ms(10.2 m)处，应为扩径缩回正常桩径时引起的反射信号，在t=12.7 ms(25.4 m)处，为粉质黏土与强风化凝灰岩地质界面，波阻抗增大，波形呈反向特征。可见，472－5#桩由于扩径及地质界面均引起波形反射，且桩底信号不明显。

对于上部土层存在深厚软土覆盖层的嵌岩桩，浅部多为淤泥质黏土及黏土类地层，基本承载力低，采用冲(钻)钻孔法施工时，桩身易产生扩缩径。此类地质条件下的嵌岩桩用低应变法检测时，在浅部易出现扩径及地质界面的反射特征，当混凝土质量良好时，仍出现波阻抗变化，产生同相信号，不利于桩身完整性判定。因此，宜结合工程地质资料及灌注记录，及多根桩波形特征进行综合评判。

4 结语

本文列出了低应变法检测嵌岩桩的常见问题，针对影响波形判定的有关因素进行分析，并结合近年来，在铁路桥梁嵌岩桩低应变法检测的典型波形进行分析与探讨。

1)嵌岩桩桩端岩层较硬，通常情况下桩底反射不明显或呈轻微反向特征，如果同一工地基桩桩底反射普遍不明显，或呈轻微的同向反射，而个别桩却有明显同向反射时，应怀疑其桩底有缺陷或持力层不满足设计要求，应进行必要的钻芯验证。

2)长径比小的嵌岩桩采用低应变法检测时，三维效应及高频干扰明显，宜采用不同频率的设备进行激振，并结合施工及地质资料综合评判。

3)桩径与土层变化容易引起波形反射特征，嵌岩桩低应变法完整性检测时，应充分结合工程施工和地质资料进行分析，必要时应采取相应措施进行验证，提高检测精度。

[1]史佩栋.深基础工程特殊技术问题[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]中华人们共和国铁道部.TB 10218—2008 铁路工程基桩检测技术规程[S].北京:中国铁道出版社，2008.

[3]陈凡，徐天平，陈久照，等.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[4]胡在良，张佰战.时域频域法联合判定桩身完整性的应用研究[J].铁道建筑，2008(1):58-60.

[5]董承全，邵丕彦，谷牧.低应变反射波法在青藏铁路基桩质量检测中的应用及分析[J].中国铁道科学，2003(5):40-43.

[6]中华人们共和国建设部.JGJ 106—2003 建筑基桩检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[7]刘金励.桩基础设计与计算[M].北京:中国建筑工业出版社，1990.