低应变反射波信号在嵌岩桩的应用特征研究

宋清波

（铁正检测科技有限公司，山东 济南250014）

1 概述

近年来，在桥梁桩基工程中，因施工技术工艺、管理水平等因素的限制，灌注过程中任一环节的失误，桩身质量都会受到影响，进而危害上部建筑物结构的安全[1]。国内中西部地区岩层埋深相对较浅，嵌岩桩的应用非常普遍[2]。嵌岩桩一般要求桩基进入相对较好的持力层以获得较高的承载力并控制变形。为增强结构物安全性和使用寿命，桥梁基桩质量的检测至关重要。低应变法因其具有无损便捷、检测高效、成本低廉[3]等优点，是桥梁基桩完整性检测广为使用的物探方法之一。

2 低应变波法检测桥梁基桩的基本原理

在对桥梁基桩进行低应变法检测时，桩体的长度远大于其直径，基桩可以被近似看作一维弹性杆件，因此本法的理论依据是一维波动理论[4]。具体检测时通过在桩顶竖向激振（力棒或手锤），由此产生的弹性波以波速c 沿桩身向下传播，当桩身存在明显界面波阻抗Z（ Z =ρcA）差异时，如断桩、离析、夹泥或者桩身截面积发生几何变化（缩颈和扩颈）等，一部分弹性波发生反射向桩顶传播，另一部分则透射过界面向桩端传播，在桩端处又产生反射到桩顶，从而在桩顶能测到激振信号。

3 低应变法检测嵌岩桩工程实测与数值模拟对比研究

3.1 工程实例

某铁路工程XX 桥，桥梁工程基桩采用桩径为φ1.50m、设计桩长为8.00m、砼强度等级为C30，桩型为嵌岩桩。用基桩动测仪检测该桩，低应变检测曲线如图1 所示。该工程地处地质条件复杂，地层破碎、岩溶发育的江西西北部地区；在对该桩检测过程中，仪器及传感器工作正常，无任何影响因素；现场采集数据后进行分析，发现桩底反射信号与入射信号同相位，且其幅值过大。

图1 低应变实测检测曲线

在时域曲线上桩端反射波与入射波的相位相同，波阻抗减小往往是嵌岩桩端持力层软弱或是桩底沉渣过厚。

3.2 成因分析

造成嵌岩桩桩底质量不佳的主要因素有：桩底沉渣过厚或桩端入岩状况不好。为确定工程实例中嵌岩桩桩底的真实情况，本文通过建立右桩底沉渣的嵌岩桩数值模型，进行数值模拟计算，通过数值模拟信号与工程实测信号对比分析，初步给出检测结果判定结论。

3.3 桩底有沉渣的数值模拟

下面对嵌岩桩的计算模拟时域波形曲线的桩底反射信号[5-7]特征进行分析。设计嵌岩桩桩桩径为φ1.50m、设计桩长为8.00m、砼强度等级为C30，桩底沉渣的厚度分别设为0.2m，横截面积与桩径一致，用碎石做桩底沉渣材料，具体材料参数如表1所示。

表1 材料参数

对桩底有沉渣的嵌岩桩进行网格模型划分，如图2 所示。

图2 桩底有沉渣的嵌岩桩模型

模拟绘制的嵌岩桩桩顶C 测点的速度时程曲线如图3 所示。

通过对时域曲线信号进行计算模拟，桩底产生的反射波为与入射波同相的反射波，后面连续出现一个幅值明显偏小的与入射波反相的反射波。

图3 有桩底沉渣时C 测点的速度时程曲线

通过对比模拟信号与实测信号，模拟桩端有沉渣的嵌岩桩桩底反射信号幅值远大于工程实测嵌岩桩桩底反射信号幅值，可排除桩端沉渣过厚可能性，初步判定该嵌岩桩桩端未入岩。

4 取芯验证

为使检测结论更加严谨、准确，采用更为直观的钻芯取样法在该桩中心位置进行开孔验证。嵌岩桩芯样如4 所示。

图4 嵌岩桩芯样

由图4 可以看出该桩混凝土芯样连续完整，表面光滑，骨料分布均匀呈长柱状，端口吻合：但是该桩在设计桩底以下未入岩，持力层状况为黏质砂土，与设计勘探资料严重不符。

5 结论

5.1 低应变反射波在嵌岩桩桩底信号反应敏感，通过桩身低应变检测能有效控制嵌岩桩质量、验证桩端持力层状况。

5.2 对于桩底有沉渣或未入岩的嵌岩桩，能得到与入射波同相位的桩底反射波信号，其幅值大小与沉渣的厚度和物理力学性质呈正相关。

5.3 数值模型的建立与模拟计算分析，是一种有效的手段；有助于提高低应变法在桩基检测中的准确性。