反射波法在水泥攪拌樁樁身質量檢測上的可行性

反射波法在水泥攪拌樁樁身質量檢測上的可行性研究摘要：反射波法是低應變測定混凝土樁樁身完整性的一種準確可靠、經濟、快捷的檢測方法。本文結合工程攪拌樁體，對低應變反射波法應用于水泥攪拌樁的理論基礎、實際應用與可靠性進行了分析。認為只要選擇合理，處理得當，在滿足一定的條件下，利用反射波法檢測水泥攪拌樁的樁身完整性是可行的；同時也指出尚存在一定的局限性，需要認真研究和解決。關鍵詞：反射波法；水泥攪拌樁；摻入比；強度；齡期abstract:Lowstrainreflectionwavemethodappliedinpileintergrityisakindofexact,credibleeconomicandshortcuttest.Thispaperanalyzedsthetheorybase,practiceandreliabilitythroughtheapplicationoflowstrainreflectionwavemethodtotestcement-soilmixingpile.Reflectionwavemethodtotesttheintegrityofcement-soilmixingpileisfeasibleontheassumptionthatchooseisreasonable,suitabledoing.Simultaneitythereissomedeficiencythatneedstobestudiedandsolvedseriously.Keywords:reflectionwavemethod；cement-soilmixingpile；ratioofmixture；intensit；age1前言低應變反射波法是測定混凝土樁樁身完整性的一種檢測方法，已在預制樁、混凝土灌注樁等剛性很大的樁身質量檢測中得到廣泛應用，其經過多年的研究、應用及發(fā)展，該項技術已經逐漸走向成熟，事實證明它是一種準確可靠、經濟快捷的檢測手段。近年來，隨著深層攪拌樁在軟土地區(qū)的廣泛應用，工程上迫切需要一種能夠對此攪拌樁樁身質量進行快速有效地分析與評估的檢測手段。目前對水泥土樁檢測主要根據《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-2002)的規(guī)定，可采用開挖檢查、輕便觸探、鉆孔取芯等進行樁身質量的檢驗，這些方法也就只能對個別或極少部分樁身質量進行檢測評價,無法反應整個工程的實際情況,并且檢測費用較高、人員工作量及設備投入量相對較多、檢測過程較為煩瑣，其結果也就難免以偏概全。因此，能否將應用于混凝土樁身質量評價的反射波法成功地應用于攪拌樁，已經成為樁基動測界中一個迫切需要研究及解決的課題。在國內，到目前為止，反射波法檢測攪拌樁樁身質量還處于探索階段，盡管有許多學者與同行進行過相關的研究，但是由于所檢測的對象具有相當的復雜性（地質環(huán)境差異、樁身材料的非嚴格均勻性、樁周介質阻抗與樁身介質阻抗差異小、施工工藝的差異、測試現(xiàn)場條件的差異），其準確性與可靠性還有待進一步提高與完善。本文結合近年來的一些工程實踐，就反射波法檢測水泥攪拌樁的應用可行性談談一些個人體會與看法。低應變檢測理論基礎低應變反射波法是建立在—維波動理論的基礎上的，且樁身材料彈性性能良好，使瞬態(tài)作用在樁頂的激振所產生的彈性應力波只能在樁桿內傳播。假設樁為質地均勻、各向同性的—維線彈性體（樁的長度遠大于直徑，且入射波波長λ大于樁的直徑），當用手錘在樁頂敲擊時，產生的應力波在樁身傳播滿足—維波動方程：C=√E/ρE—樁身彈性模量；ρ—樁身混凝土密度。當有入射波從介質1傳播到介質2，將在兩種介質的界面處產生反射與透射圖1反射波方法原理示意其波阻抗比用下式計算：反射系數F為：樁長和缺陷位置是根據在時域范圍內應力波反射的公式確定:L=t·C/2式中L為樁長或質量存在缺陷的位置；t為應力波傳播的時間；C為波速。反射波法中t根據檢測波形可直接識別確定，C根據經驗選定或試驗獲得。根據采集的波形判斷樁長及缺陷位置等。反射波法的理論盡管簡單,但對該方法的使用有著比較嚴格的前提條件,即樁體強度必須滿足一定強度要求的情況,因此在基樁的頂端施加一個初始錘擊力時，就產生應力波并沿樁體傳播，在樁底端由于存在波阻抗界面，將產生反射波。若局部混凝土不密實或不均勻，在樁身中也會存在波阻抗界面。通過分析在樁頂端所檢測反射波的雙程旅行時間、波幅、頻率、相位和能量，可以判定基樁的長度及其缺陷區(qū)段，即反射波法檢測水泥攪拌樁必須滿足以下理論條件：（1）水泥攪拌樁是否可視為一維彈性桿件。（2）水泥攪拌樁樁身材料是否可視為彈性材料。（3）水泥攪拌樁樁身波阻抗是否可以被識別。水泥土攪拌樁體的工程性能水泥加固土的機理軟土與水泥采用機械深層攪拌加固的基本原理是基于水泥加固土的物理化學反應過程。它與混凝土硬化機理有所不同，混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料（即比表面積不大、活性很弱的介質─砂、碎石）中進行水解和水化作用，所以凝結速度較快。而在水泥加固土中，將占土重5%～20%的水泥（漿液或粉體）拌入土中通過水泥的水解和水化反應、水泥水化物與土顆粒之間的離子交換和團粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化學反應而成為具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的水泥土樁體，水泥土在受力初期，應力與應變關系基本上符合虎克定律。（2）影響水泥土強度的因素試驗研究表明，影響水泥土強度的因素有:水泥摻入比、水泥標號、養(yǎng)護齡期、土樣含水量、水中有機質含量、外加劑及土體圍壓等。水泥土強度隨水泥摻入比增加而提高，水泥摻入比小于aw≤5%時,固化反應很弱,水泥土比原狀土強度增強甚微，故在深層攪拌法的實際施工中水泥摻入比aw＞5%。當水泥摻入比超過一定數量時,強度增加幅度減緩。水泥土強度增長率在不同的摻入量區(qū)域,在不同的齡期是不同的,而且原狀土不同,水泥土強度增長率也不同。另外,水泥土強度隨齡期的增長而增長,強度增長規(guī)律不同于混凝土。水泥水泥土的水泥摻入比相同時,地基土含水量高,水泥土的密度小。水泥土強度隨地基土的含水量的提高而降低。土體含水量過低或過高對水泥水化都存在不利影響。水泥土的強度隨水泥標號提高而提高。水泥摻入比相同時,水泥標號每增加100號,水泥土的無側限抗壓強度增大20～30%。水泥種類對水泥土強度也有影響,且與土中礦物成分和有機質含量有關。由以上分析可以看出,水泥的摻入比和水泥土的齡期對樁體強度起主要作用,可以說,在具體應用中其它影響因素都是通過這兩個因素來反映;亦即水泥土樁的強度主要由水泥摻入比和齡期決定。低應變動測方法水泥土攪拌樁的可行性分析（1）水泥土強度與波速的關系反射波法檢測基樁的理論基礎是把樁體看做是一維桿件,因此要求樁體必須致密、連續(xù),并且樁體介質具有一定強度區(qū)別與樁周土,即樁身波阻抗遠大于樁周土的波阻抗。由于反射波法主要是適用于混凝土樁的檢測,而混凝土樁與水泥土攪拌樁在的形成機理和樁體材料的強度等級存在著差異,因此在采用反射波方法檢測水泥土樁時,必須考慮水泥土強度的變化影響。水泥土樁的強度是決定了反射波法的使用成敗的關鍵。統(tǒng)計資料表明，到28d齡期時，水泥土的強度為設計強度的60%左右，到90d齡期時才能達到設計要求。從檢測效果的角度出發(fā)，齡期越長，強度越高，檢測效果越好。如果過早地進行檢測，水泥土尚未完全硬化，水泥土的波阻抗與樁周土的波阻抗較為接近，則不滿足一維波動方程的理論假設；或由于錘擊時，因為樁身整體強度不高或樁頂疏松，形成波形的低頻震蕩，導致無法進行有效的分析與判斷。因此建議水泥攪拌樁最佳的檢測齡期為28d以上。圖2波速與水泥土抗壓強度關系（2）現(xiàn)場數據采集時應注意的問題由于水泥土無粗骨料，彈性波在水泥土內部傳遞時，介質散射引起的衰減較小，而介質吸收產生的衰減較大。為了取得良好的檢測效果，應盡可能破除樁頂松散層，打磨各測點，并選擇合適的振源，一般尼龍錘具有較好的指向性和穿透力。同時為減少彈性波能量的損失，傳感器安裝應采用如黃油、石膏一類的膠狀或漿狀物質作耦合劑，安裝時切忌用手按住傳感器，盡量采用加速度傳感器且頻帶要寬。其次根據經驗,在使用低應變反射法檢測水泥土攪拌樁時,波速通常選定在1300m/s以上才可能采集到較為清晰的反射波形。5實例分析（1）實例1：平湖市某工程2#樓為5-6層磚混結構，占地面積約600平方米，地基采用水泥攪拌樁進行處理加固，設計樁長8.5～9.69m，水泥摻入比15%,即每延米50Kg水泥，水泥標號為425#。該工程地質概況為：第一層為素填土，層厚為1.2m左右；第二層為粉質粘土，層厚為1.20～3.40m第三層為淤泥質粉質粘土，層厚約13.0m左右，全場分布。28天后基坑被開挖，首先抽取部分攪拌樁體進行低應變動測試驗對比，使用設備為PIT-V樁基完整性測試儀(美國)，試驗檢測數據波形如下：從以上6根攪拌樁體的實測波形來看，波形清晰，且大多數樁底反射明顯。按設計樁長8.5～9.69m可計算出平均波速為1350m/s左右，從（a）號樁波形來看，樁身結構在2.5m左右攪拌不均勻；（b）號樁在2.0m左右樁身攪拌不均；同樣測出（d）樁3.0m左右攪拌不均；（C）、(e)、（f）三根樁完整性良好，攪拌均勻且可見樁底反射。通常對測試出的曲線結果進行分析時，不能象剛性樁那樣把各種缺陷(如斷樁、短樁、離析、夾泥等)仔細確定，在實測曲線上波沿樁身傳播出現(xiàn)有界面，一般可判定為攪拌不均勻。根據以上對比試驗結果，進一步對本工程的其余大部分樁體進行快速普測，取得了比較好的檢測效果。（2）實例2：平湖市某工程24#樓為雙層花園別墅，房屋地基面積為160平方米，地基采用深層水泥攪拌樁加固，有效加固深度約9.0m，樁徑為600mm,水泥摻入比為15%，采用標號為425#的普通硅酸鹽水泥，地基場地原為海涂，地勢較低，地質分層如下：1-1層為近期吹填土，以粉細砂為主，物理力學性質較好，qc:1100-1700Kpa,層厚1.60～5.00m，3-1層為淤泥質粘土，處于飽和、流塑狀態(tài)，層厚0.50～25.40m，全場分布。經40天左右基礎開挖，擬定對部分攪拌樁體進行低應變完整性檢測試驗，使用檢測設備為PIT-V樁基完整性測試儀(美國)。該工程部分樁體試驗檢測波形如下：從該工程的場地地質情況來看，攪拌土層主要在1-1層，該層以粉細砂為主，通過與水泥噴漿均勻攪拌在一起，這部分水泥土體的樁身強度應高于下部土層的樁體。在1-1層施工過程中噴漿攪拌提升功率消耗大，施工器械設備額定功率要高，才能保證在該層土中水泥土體攪拌質量。從部分被檢樁體的完整性波形來看，樁身缺陷大部分主要表現(xiàn)為淺部2.0m左右攪拌不均勻，不均勻程度較差，主要原因是施工單位在施工時，深層攪拌機的施工功率較小，難于滿足在粉細砂中施工要求，結果出現(xiàn)深層攪拌機在2～3.0m的位置處噴漿攪拌提升很困難，攪拌鉆頭旋轉慢，甚至出現(xiàn)停鉆停噴，導致該段水泥與土體嚴重攪拌不均勻。通過對現(xiàn)場采集的波形分析來看，低應變檢測很好得反映了該工程基樁問題，達到了檢測樁身質量目的。不確定因素與局限性首先,經驗波速隨著樁的齡期、強度、水泥含量、土樣含水量變化存在著明顯的不確定性，造成經驗波速范圍波動過大，直接造成檢測結果誤差增大。而為取得有代表性的經驗波速，在工程樁同期打試樁，既不太可能也不太實際。所以這還得通過今后不斷的積累和完善，建立起一套完整的經驗波速與各影響因素的相關數據庫，才能真正使反射波法檢測水泥攪拌樁走向應用。其次,反射波法應用的對象應是一維彈性的均勻體，而目前落后的施工工藝造成的樁身不均勻性，也制約著反射波法檢測水泥攪拌樁的應用,由于施工中的各種因素，常會使樁體產生諸如局部強度低（水泥漿少或缺失），局部強度高的現(xiàn)象；又因地層土質的不同，水泥土的固化程度不一致也會造成樁體強度沿樁長不一致；有時因攪拌不充分造成的水泥層狀、片狀分布將會令反射波法很難甚至無法分析。7結論本文對低應變反射波法在水泥土攪拌樁檢測中的可行性進行了探討分析,并對該方法與水泥土強度特性的關系進行了分析，通過對影響水泥土強度增長的主要因素(齡期和水泥摻入比)的研究及水泥土攪拌樁強度與波速的關系,以及以上兩個低應變檢測水泥土攪拌樁實例分析得出結論:在綜合考慮各種因素的前提下,對于目前水泥土攪拌樁廣泛使用425#普通硅酸鹽水泥來講,水泥摻入比達到12%以上、在齡期達到28d以上,采用反射波法檢測可以獲得較好的檢測效果；當水泥摻入比較高時可以適當提前。但從現(xiàn)有的測試資料分析來看，對于樁身材料強度高，且樁身水泥土均勻，樁身長度和直徑比不太大時，反射波法也僅能測到樁身淺部的某些缺陷，很難測得樁身下部缺陷，還需綜合采用其它一些方法如觸探、取芯、靜載荷試驗等對樁身質量進行綜合評價。參考文獻[1]葉書麟、韓杰