夯实水泥土桩桩身完整性检测分析

董承全 陈 辉 颜胜才

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

夯实水泥土桩桩身完整性检测分析

董承全 陈 辉 颜胜才

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

采用低应变反射波法，对某工程所采用掺砂灰土桩的桩身完整性进行了检测分析，结果表明：其波形特征、波速变化、波幅衰减特性与桩身完整性相关，桩身材质均匀，密实度好的桩，波速高，反射波幅与入射波幅比高，反之亦小。

夯实水泥土桩，基桩检测，反射波法，桩身完整性，强度

0 引言

夯实水泥土桩复合地基广泛应用于民用建筑及铁路公路路基工程。通过夯实水泥土桩加固地基，提高地基承载力，已在一些专著中有介绍[1]。夯实水泥土桩一般通过螺旋钻机钻孔，在孔外对黏土或砂黏土掺加一定比例水泥，搅拌均匀，填入钻孔内，经夯实成桩。夯实过程中对桩周土有一定的挤密作用，继而形成夯实水泥土桩复合地基。夯实水泥土桩桩身强度优于粉喷桩和旋喷桩。其桩身质量不受桩周土介质影响，只与桩材采用的土质、水泥标号、搅拌均匀性、夯实程度有关。根据桩身强度要求，可采用水泥土桩或水泥砂土桩。有部分学者对夯实水泥土桩桩身强度与所选用土质与水泥掺加量进行了研究。如刘焕存[2]对夯实水泥土(粉质黏土)试样三轴试验结果表明，水泥土强度随水泥掺加量增加而增加。20%水泥含量60 d抗压强度是10%水泥含量60 d抗压强度的2倍。强度随龄期增长关系表明，10 d强度可达极限强度的55%以上，以后增长速度逐渐变缓，60 d可达标准强度。姜彬生等[3]在含水量25%～30%之间、饱和度在80%～85%之间的黏质土中分别添加10%和15%水泥含量，60 d抗压强度分别达到5.6 MPa和6.4 MPa。闫明礼等[1]在含砂粒5%～10%的砂黏土中，掺加425号硅酸盐水泥，掺加量20%时，夯实水泥土强度可达13.6 MPa以上。根据以上资料分析结合工程实际，采用粉质黏土添加10%中砂作为基本土质，掺加20%的425号水泥作为夯实水泥土桩的桩体材料。经预留试件试验，其抗压强度达到10 MPa～15 MPa。为检验桩身完整性，采用低应变反射波法进行检测，分析了桩身完整性与波速波幅波形特征关系。

1 低应变反射波法检测桩身完整性[4-11]

1.1 检测原理与方法

某工程为一幢6层综合楼，地质资料表明自上而下为素填土，粉质黏土，砂黏土层。设计φ400 mm夯实水泥土桩，桩长8 m～10 m。采用螺旋钻机成孔，孔外拌合水泥土，分层填入，夯实成桩。桩身完整性采用低应变反射波法检测。根据一维应力波理论，桩身缺陷程度按式(1)判定：

(1)

式中：Vr——反射波速度幅值；Vi——入射波速度幅值；Z1——介质Ⅰ的波阻抗，Z1=ρ1c1A1；Z2——介质Ⅱ的波阻抗，Z2=ρ2c2A2。

则有:

(2)

其中，F为反射系数，与桩身密实度及完整性相关。

波速由式(3)确定：

(3)

其中，CP为反射波速度，m/s;l为桩长，m；tr为波由桩顶传至桩底后返回至桩顶的时间,ms。

缺陷位置lx可由式(4)确定:

(4)

式中：c——桩平均波速，m/s;tx——桩顶至缺陷处的反射时间，ms。

1.2 检测结果分析

1.2.1 波形特征分析

波形特征是反映桩身完整性的重要参量之一。图1为实测反射波形。

其中图1a)为完整桩波形。波形规则，桩底反射清晰可辨，入射波与桩底反射波之间无异常反射。图1b)为桩身中下部存在缺陷的桩波形，可见入射波与桩底反射波之间有一缺陷反射波，其相位与入射波相同，桩底反射波幅一般低于完整桩桩底反射波幅。图1c)为桩身浅部存在缺陷时的检测波形，其特征为浅部缺陷处以上桩体出现振动，并伴有低频振荡，无桩底反射波，也无法获得缺陷下部桩身完整性信息。

1.2.2 波速变化规律与波幅衰减规律分析

表1 完整桩波速和桩底反射系数

本次共检测117根桩，对其中30根完整桩和8根缺陷桩利用式(2)和式(3)分别读取反射系数和波速。通过测读波的反射系数，探讨夯实水泥土桩波幅衰减规律。波速大小反映了桩身完整程度。完整桩波速和桩底反射系数见表1，缺陷桩波速、桩底反射系数及缺陷反射系数见表2。

表2 缺陷桩波速、桩底反射系数及缺陷反射系数

由表1可看出，完整桩波速在2 500 m/s～3 400 m/s之间，平均波速为3 025 m/s。桩底反射系数在0.09～0.55之间，平均反射系数为0.28。波速低于平均波速的桩有14根，桩底反射系数低于平均反射系数的有17根，波速和桩底反射系数同时低于平均值的有10根。这基本说明波速偏低时波幅衰减也较快，反映桩密实程度欠佳。就整体而言，波速和桩底反射系数比较离散，反映桩施工工艺不够稳定，有待提高。从表2可看出，缺陷桩中有87.5%的桩低于完整桩平均波速和平均桩底反射系数，说明桩身缺陷对波速和桩底反射有明显降低作用。缺陷反射系数在0.09～0.23之间，属于轻度缺陷桩。此外,检测发现存在浅部断桩,见图1c)。调查发现浅部断桩均由机械开挖碰断和挤压所致。

2 浅部断桩开挖验证

图2为不同深度的断桩波形。通过开挖验证，图2a)为0.5 m处断裂波形，图2b)为1 m左右断裂波形，图2c)为2 m左右断裂波形。图2a)主要表现为低频振动，反射波不明显。图2b)主要表现为低频振动与反射波叠加，且第一次反射波幅高于入射波幅，以后缺陷处出现多次反射波，并逐渐衰减。而图2c)反射波幅明显增强，振动效应减弱，同相反射波幅明显高于反相反射波幅，这一点与浅部扩径是有差别的。

3 结语

实践表明，对于灰土桩，只要桩身强度达到或接近15 MPa,采用低应变反射波法进行桩身完整性检测是可行的。从检测结果可看出，夯实水泥土桩波速和桩底反射系数比较分散，完整桩波速在2 500 m/s～3 400 m/s之间，平均波速为3 025 m/s。桩底反射系数在0.09～0.55之间，平均反射系数为0.28。缺陷桩中有87.5%的桩低于完整桩平均波速和平均桩底反射系数，说明桩身缺陷对波速和桩底反射有明显降低作用。缺陷反射系数在0.09～0.23之间，属于轻度缺陷桩，表明夯实水泥土桩密实度不够均匀，施工工艺有待改进。由于波形特征，波速及桩底与缺陷反射系数反映了桩完整性特征，利用波形特征，波速及桩底与缺陷反射系数综合判定桩完整性也是可行的。本次检测发现浅部缺陷主要是开挖工艺不当造成，应加以改进。

[1] 闫明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].第2版.北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 刘焕存.夯实水泥土强度特性试验研究[J].岩土工程技术,1996(3):16-20.

[3] 姜彬生,李宏义.夯实水泥土强度和变形特性[J].岩土工程技术,1998(4):40-44.

[4] 董承全,邵丕彦,谷 牧.低应变反射波法在青藏铁路工程中的应用及分析[J].中国铁道科学,2003,24(5):40- 43.

[5] 董承全,张佰战,胡在良,等.桩身完整性不同检测方法的对比试验[J].铁道建筑,2009(12):75-77.

[6] 陈 辉，董承全，张佰战，等.低应变检测中几种典型缺陷的理论模型分析[J].工程地球物理学报,2012,9(3):342-345.

[7] 王庆春,陈 辉.低应变反射波法检测桩基浅部缺陷的效果分析[J].工程地球物理学报,2013,10(2):259-263.

[8] 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.

[9] TB 20118-2008，铁路基桩质量检测规程[S].

[10] 帅小强.反射波法对水泥搅拌桩完整性检测的研究[J].山西建筑,2008,34(28):143-144.

[11] 赵 磊.低应变反射波法的桥梁桩基检测实例分析[J].山西建筑,2014,40(14):209-211.

Analysis on pile integrity test of rammed soil-cement pile

DONG Cheng-quan CHEN Hui YAN Sheng-cai

(RailwayBuildingResearchInstitute,ChinaRailwayScienceResearchInstitute,Beijing100081,China)

Using the low strain reflected wave method, this paper tested and analyzed the pile integrity of a engineering using sand lime soil pile, the results showed that: its wave characteristics, wave velocity variation, amplitude attenuation characteristics uniformity to pile integrity, the pile had good material, the pile with good compactness, high wave speed, the ratio was higher of reflection wave amplitude and incident wave amplitude, and the opposite small.

rammed soil-cement pile, foundation pile test, reflected wave method, pile integrity, strength

1009-6825(2014)34-0070-03

2014-09-25

董承全(1951- )，男，高级工程师； 陈 辉(1982- )，男，高级工程师； 颜胜才(1982- )，男，助理研究员

TU473.16

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