摘要：基于一維應(yīng)力波原理，闡述低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的基本理論，提出混凝土灌注樁完整樁及缺陷樁的理論模型，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)其完整樁及缺陷樁的低應(yīng)變法反射波曲線進(jìn)行分析，總結(jié)得出不同類型完整樁及缺陷樁的反射波波形特征，為檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)基樁質(zhì)量檢測(cè)中提供參考，提高基樁質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠度。
關(guān)鍵詞：低應(yīng)變法；完整樁；缺陷樁；波形曲線
1引言
樁基能將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深部穩(wěn)定堅(jiān)硬的土層或基巖中，保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以樁基質(zhì)量低應(yīng)變反射波法憑借其設(shè)備輕便、采集迅速、費(fèi)用低廉及檢測(cè)結(jié)果較為可靠等優(yōu)勢(shì)成為基樁檢測(cè)最常用的方法之一[1,2]，近些年已得到了廣泛的應(yīng)用。
然而，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)及施工工藝日益復(fù)雜，檢測(cè)人員的專業(yè)水平參差不齊，以上因素均對(duì)低應(yīng)變法的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符，造成誤判，進(jìn)而為建筑物工程質(zhì)量埋下隱患。因此，本文基于一維應(yīng)力波原理，闡述低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的基本理論，提出混凝土灌注樁完整樁及缺陷樁的理論模型，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)其不同類型完整樁及缺陷樁的低應(yīng)變法反射波曲線進(jìn)行分析，為檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)基樁質(zhì)量檢測(cè)中提供參考，提高基樁質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠度。
2低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性理論分析
2.1低應(yīng)變一維應(yīng)力波原理
低應(yīng)變法依據(jù)應(yīng)力波在樁身中的傳播特征，假設(shè)樁身為均質(zhì)連續(xù)的一維線彈性桿件[3]，在滿足波長λ介于樁長L與樁徑D的前提下，不考慮樁周土體阻力變化，應(yīng)力波在樁身中傳播時(shí)，彈性波沿樁身向下傳播，當(dāng)樁身中某處界面S阻抗（Z=ρCA）（ρ、A、c分別表示界面處的密度、面積、波速）發(fā)生變化，應(yīng)力波就會(huì)產(chǎn)生反射波和透射波（如圖2.1所示），說明此處樁身存在缺陷或應(yīng)力波傳至樁底土層或基巖。
圖2.1應(yīng)力波的反射與透射示意圖
根據(jù)連續(xù)介質(zhì)界面處的速度V和內(nèi)力F的連續(xù)性原理可得：
FI+FR=FT
VI+VR=VT （1）
根據(jù)一維彈性波波動(dòng)方程及上界面阻抗（Z1=ρCA）、上界面阻抗（Z2=ρCA）可求解上行波及下行波的內(nèi)力F：
FI=Z1·VI
FR=-Z1·VR
FT=Z2·VT （2）
結(jié)合（1）式、（2）式可得：
 , （3）
通過以上建立的低應(yīng)變法反射波、折射波與入射波的關(guān)系，可以分析界面S處阻抗變化以及折射波與反射波的速度變化情況，從而推斷得出界面S處所對(duì)應(yīng)的基樁的上下樁身的工程情況。
2.2低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性原理分析
低應(yīng)變法應(yīng)用于檢測(cè)樁身完整性時(shí)，界面S處阻抗變化處生成的反射波由樁頂面的傳感器傳至樁基檢測(cè)儀，將數(shù)據(jù)經(jīng)放大、濾波處理，得到來自不同界面的反射波信息，如圖2.2所示。
圖2.2低應(yīng)變反射波法檢測(cè)原理簡圖
依據(jù)波形圖中的入射波及反射波的波形、相位、振幅、頻率及波的到達(dá)時(shí)間等特征，參考地質(zhì)資料和打樁記錄等資料，從而判斷基樁在界面處存在的缺陷或反映嵌巖樁樁底與基巖的結(jié)合情況。
（1）當(dāng)Z1=Z2時(shí)，VR=0，此時(shí)樁身阻抗Z不變，入射波由樁頂向下傳播至樁底，樁身內(nèi)部無反射波。
（2）當(dāng)Z1＞Z2時(shí)，反射波VR與折射波VT 同號(hào)，反射波與折射波同相位，樁身界面處阻抗減小，由Z=ρCA可得：
當(dāng)ρ1c1=ρ2c2，則A1＞A2，說明此時(shí)樁身材料密度及波傳播速度不變，阻抗變化界面處截面積減小，樁徑縮小，形成“縮頸樁”；當(dāng)A1=A2，則ρ1c1＞ρ2c2，說明阻抗變化界面處截面積不變，樁身材料的性質(zhì)發(fā)生變化，樁身強(qiáng)度減小，形成“斷裂樁”、“離析樁”、“夾泥樁”或樁身波阻抗大于樁端基巖阻抗，類似于摩擦樁。
（3）當(dāng)Z1＜Z2時(shí)，反射波VR與折射波VT 異號(hào)，反射波與折射波反相位，樁身界面處波阻抗增大，由Z=ρCA可得：
當(dāng)ρ1c1=ρ2c2，則A1＜A2，說明此時(shí)樁身材料密度及波傳播速度不變，阻抗變化界面處截面積增大，樁徑擴(kuò)大，形成“擴(kuò)頸樁”；當(dāng)A1=A2，則ρ1c1＜ρ2c2，說明阻抗變化界面處截面積不變，樁身材料的性質(zhì)發(fā)生變化，樁身強(qiáng)度增大，一般出現(xiàn)在樁身波阻抗小于樁端基巖阻抗的端承樁或嵌巖樁中。
通過以上分析，可以清晰的反映低應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的基本理論，推斷樁身缺陷的形式，而缺陷的嚴(yán)重程度則可以依據(jù)低應(yīng)變反射波實(shí)測(cè)曲線的幅值推斷[4]，隨著樁身缺陷程度的增大，反射波能量越大，在實(shí)測(cè)曲線中表現(xiàn)出的幅值越大。樁身缺陷的位置則可以通過入射波和反射波的時(shí)差△t和波在樁身中傳播速度c推算得出。
3低應(yīng)變法檢測(cè)混凝土灌注樁分析
3.1完整樁分析
3.1.1摩擦樁
當(dāng)樁為摩擦樁時(shí)，樁的承載力主要由樁身側(cè)壁與樁周土層間的摩擦力承擔(dān)，樁端巖土層一般情況下為黏土，此時(shí)樁身阻抗明顯大于樁端持力層阻抗，樁底處反射波同相于入射波。由于入射波在傳播過程中能量的衰減，樁底位置反射波的幅值明顯低于入射波。
理論情況下，低應(yīng)變反射波曲線規(guī)則而圓滑，樁身位置沒有任何子波反射，樁底有明顯的反射信號(hào)。理論模型如圖3.1所示。
下面結(jié)合徐州市宏達(dá)土木工程試驗(yàn)室有限責(zé)任公司檢測(cè)實(shí)際工程案例分析完整摩擦樁的低應(yīng)變反射波曲線：
徐州某國道改建工程的混凝土灌注樁0-7號(hào)樁，設(shè)計(jì)樁長20m，樁徑1.2m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30等級(jí)，依據(jù)工程地質(zhì)概況，樁端土層為黏土，圖3.2為該灌注樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形曲線圖。
由圖3.2可以看出，波速為4242m/s，樁長為20.02m，2L/C時(shí)刻前無缺陷反射波[5]，樁底由明顯的反射波，且反射波形較為規(guī)則，表明該樁樁身連續(xù)且完整，該樁質(zhì)量完好。
圖3.2與圖3.1對(duì)比，我們可以看到實(shí)際檢測(cè)中樁身處的波形存在幅值微小的波動(dòng)區(qū)域，這是因?yàn)榉瓷洳ɡ碚撌墙⒃谝痪S均質(zhì)彈性桿基礎(chǔ)上的，實(shí)際混凝土灌注樁并不完全是一維線彈性桿件，波在傳播過程中受非一維波或彌散波的影響。
3.1.2端承樁（嵌巖樁）
當(dāng)樁為端承樁或嵌巖樁時(shí)，在豎向荷載作用下，樁的承載力主要由樁端阻力承擔(dān)，樁端巖土層一般情況下為較為堅(jiān)硬的土層或巖層。應(yīng)力波傳播至樁底時(shí)，如果樁底巖石阻抗與樁身阻抗接近時(shí)，樁底的反射波波幅極小一直檢測(cè)不到明顯的波動(dòng)信號(hào)；如果樁底巖石阻抗大于樁身阻抗時(shí)，入射波由小阻抗界面?zhèn)魅氪笞杩菇缑妫▌?dòng)信號(hào)中反射波與入射波反相位，理論模型如圖3.3。同樣由于入射波在傳播過程中能量的衰減，樁底位置反射波的幅值明顯低于入射波。
下面結(jié)合徐州市宏達(dá)土木工程試驗(yàn)室有限責(zé)任公司檢測(cè)實(shí)際工程案例分析完整端承樁常見的兩種低應(yīng)變反射波曲線：
（1）徐州某工程土建工程的混凝土灌注樁697號(hào)樁，設(shè)計(jì)樁長20m，樁徑1m，樁身混凝土強(qiáng)度為C35等級(jí)，依據(jù)工程地質(zhì)概況，樁端土層為中分風(fēng)化灰?guī)r，圖3.4為該灌注樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形曲線圖。
圖3.4完整端承樁實(shí)測(cè)波形圖（有樁底反射）
由圖3.4可以看出，波速為3793m/s，波速正常，樁長為19.9m，樁底出現(xiàn)幅值較小的反射波，且與入射波反相，反射波形較為規(guī)則，樁身完整性好。說明此時(shí)樁底中風(fēng)化灰?guī)r阻抗略微大于樁身阻抗。
（2）徐州軌道交通工程的某混凝土灌注樁LZZ-52號(hào)，設(shè)計(jì)樁長15m，樁徑1m，樁身混凝土強(qiáng)度為C35等級(jí)，依據(jù)工程地質(zhì)概況，樁端土層為中風(fēng)化石灰?guī)r，圖3.5為該灌注樁實(shí)測(cè)波形曲線圖。
圖3.5完整端承樁實(shí)測(cè)波形圖（無樁底反射）
由圖3.5可以看出，波速為3922m/s，波速正常，樁長為15m，反射波形較為規(guī)則，樁身完整性好，樁底幾乎檢測(cè)不到反射波。說明此時(shí)樁底中風(fēng)化石灰?guī)r阻抗與樁身阻抗近似相同，或者是樁端嵌入到較好的基巖中，嵌巖效果良好。
3.2缺陷樁分析
3.2.1縮頸樁與擴(kuò)頸樁
縮頸樁是指樁身截面積不符合設(shè)計(jì)孔徑要求，這種缺陷樁通常出現(xiàn)在軟塑或流塑的黏土、粉質(zhì)黏土層或遇水膨脹的地層。
當(dāng)樁存在縮頸缺陷時(shí)，縮頸處的上界面應(yīng)力波由大阻抗介質(zhì)傳播至小阻抗介質(zhì)，從而表現(xiàn)為反射波與入射波同相，縮頸處的下界面應(yīng)力波由小阻抗介質(zhì)傳播至大阻抗介質(zhì)，從而表現(xiàn)為反射波與入射波反相，所以一般情況下，縮頸會(huì)與擴(kuò)頸同時(shí)出現(xiàn)。此時(shí)低應(yīng)變反射波曲線波形不規(guī)則，除縮頸程度嚴(yán)重外，均會(huì)檢測(cè)到樁底反射信號(hào)，如果樁身縮頸處位于淺部，則反射波幅值較大，樁間出現(xiàn)明顯的多次子波反射，如果樁身縮頸處位于深部，則反射波由于能量的衰減，幅值較小，樁間有子波反射出現(xiàn)。理論模型如圖3.6。
與此類似，當(dāng)樁存在擴(kuò)頸缺陷時(shí)，擴(kuò)頸處的上界面應(yīng)力波由小阻抗介質(zhì)傳播至大阻抗介質(zhì)，表現(xiàn)為反射波與入射波反相，擴(kuò)頸處的下界面應(yīng)力波由大阻抗介質(zhì)傳播至小阻抗介質(zhì)，表現(xiàn)為反射波與入射波同相，低應(yīng)變反射波曲線波形不規(guī)則，擴(kuò)頸程度輕微均會(huì)檢測(cè)到樁底反射信號(hào)，樁身擴(kuò)頸處位于淺部，反射波幅值較大，樁身擴(kuò)頸處位于深部，反射波由于能量的衰減，幅值較小，樁間能夠檢測(cè)到子波反射。理論模型如圖3.7。
下面結(jié)合徐州市宏達(dá)土木工程試驗(yàn)室有限責(zé)任公司檢測(cè)實(shí)際工程案例分析縮頸樁的低應(yīng)變反射波曲線：
徐州某改建工程的混凝土灌注樁1-1號(hào)樁，設(shè)計(jì)樁長21m，樁徑1.2m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30等級(jí)，依據(jù)工程地質(zhì)概況，0-1m為雜填土，1-3m為硬塑黏土，3-17m為可塑黏土，17-24m為可塑黏土。圖3.8為該縮頸樁實(shí)測(cè)波形曲線圖。
由圖3.8可以看出，波速為4059m/s，波速正常，樁底有明顯與入射波同相的反射波，樁身處波形相對(duì)規(guī)則，在9.02m處呈現(xiàn)與入射波同相的幅值較小的反射波，此處存在缺陷。反射波幅值較小也說明縮頸界面處波阻抗差異較小，所以推斷9.02m處為輕微縮頸缺陷。結(jié)合工程地質(zhì)資料，可以得出此缺陷位置處對(duì)應(yīng)土層為黏性土層，所以容易形成縮頸。
3.2.2離析樁
離析樁指樁基混凝土拌合物成分出現(xiàn)分離導(dǎo)致樁身局部或整體內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)不均勻，樁基質(zhì)量缺陷的基樁。造成樁基混凝土離析的因素較多，混凝土和易性差、坍落度小、導(dǎo)管進(jìn)水或埋深不足；在混凝土初凝前地下水位變化、拔管時(shí)管壁對(duì)混凝土產(chǎn)生摩阻力造成縮徑離析或造成樁身局部斷面混凝土離析。
理論上，樁身局部離析的低應(yīng)變反射波曲線與縮頸樁類似，離析部位的上界面反射波與入射波同相位，下界面反射波反相于入射波。樁身局部離析理論模型如圖3.9所示。
在現(xiàn)場(chǎng)混凝土灌注樁檢測(cè)中，由于樁身各部位離析程度的差異及材料密度的不同，曲線信號(hào)往往會(huì)表現(xiàn)為應(yīng)力波在樁身不同離析面之間的反復(fù)折射，從而導(dǎo)致應(yīng)力波能量急速衰減，所以離析樁的檢測(cè)信號(hào)曲線通常幅值較低，波形不規(guī)則，呈現(xiàn)波浪線型或波形紊亂，沒有明顯的與入射波同相或反相的波段，有時(shí)出現(xiàn)無樁底反射的情況。與此同時(shí)，由于入射波能量的衰減，離析樁中應(yīng)力波傳播速度較小。
下面結(jié)合徐州市宏達(dá)土木工程試驗(yàn)室有限責(zé)任公司檢測(cè)實(shí)際工程案例分析離析樁的低應(yīng)變反射波曲線：
徐州某土建工程的混凝土灌注樁C120號(hào)樁，設(shè)計(jì)樁長11m，樁徑1m，樁身混凝土強(qiáng)度為C35等級(jí)，依據(jù)工程地質(zhì)概況，樁端土層為中風(fēng)化石灰?guī)r，圖3.10為該灌注樁實(shí)測(cè)波形曲線圖。
由圖3.10可以看出，波速3889m/s，整個(gè)波形圖波形不規(guī)則，存在多處折射及反射部位，找不出明顯的與入射波同相或反相的波段，存在樁底反射。該工程中其它樁檢測(cè)所得波速平均值大概為4027m/s，顯然離析樁的波速較小，由于樁身信號(hào)紊亂，應(yīng)力波能量衰減，樁底反射波的峰值也較完整波低。
3.2.3斷裂（夾泥）樁
斷裂樁或夾泥樁指樁身出現(xiàn)裂隙、斷裂或樁身局部夾雜泥砂的缺陷類型，此類缺陷樁與離析、縮頸相似，但斷裂樁由于缺陷部位波阻抗變化差異較大，從而在波形曲線上表現(xiàn)為第一次反射波幅值較大，后續(xù)往往出現(xiàn)多次微小幅值的反射，較難檢測(cè)到樁底反射信號(hào)。
下面結(jié)合徐州市宏達(dá)土木工程試驗(yàn)室有限責(zé)任公司檢測(cè)實(shí)際工程案例分析此類樁的低應(yīng)變反射波曲線：
徐州某開發(fā)區(qū)工程混凝土灌注樁2-3號(hào)樁，設(shè)計(jì)樁長12.5m，樁徑1m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30等級(jí)，依據(jù)工程地質(zhì)概況，樁端土層為石灰?guī)r，圖3.11為該灌注樁實(shí)測(cè)波形曲線圖。
由圖3.11可得，波速為3600m/s，波速較低，波形不規(guī)則，樁底無反射波，樁身中間位置處有明顯的幅值較大的反射波，后續(xù)表現(xiàn)為幅值較小的重復(fù)反射，說明在6.9m樁身存在斷裂處，導(dǎo)致應(yīng)力波能量衰減。
3.2.4缺陷樁統(tǒng)計(jì)分析
根據(jù)以上對(duì)混凝土灌注樁各類缺陷樁的理論模型及工程實(shí)例分析，總結(jié)各類缺陷樁的波形曲線反射特征，得出低應(yīng)力反射波法在樁基檢測(cè)的判別依據(jù)（見表3-1），從而為檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供參考依據(jù)。
表3-1低應(yīng)變反射波法檢測(cè)基樁缺陷判別依據(jù)總結(jié)表
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樁身缺陷類型
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波阻抗變化
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反射波相位
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反射波波形
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縮頸
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ρ1=ρ2、C1=C2、A1＞A2
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同相
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反射波波形規(guī)則，存在一次或多次反射，正�？梢姌兜追瓷湫盘�(hào)
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擴(kuò)頸
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ρ1=ρ2、C1=C2、A1＜A2
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反相
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反射波波形規(guī)則，存在一次或多次反射，正常可見樁底反射信號(hào)
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離析
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ρ1＞ρ2、C1＞C2、A1=A2
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同相
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反射波波形不規(guī)則，波浪線型或波形紊亂，波速較小，一般可見樁底反射信號(hào)
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斷裂（夾泥）
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ρ1＞ρ2、C1＞C2、A1=A2
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同相
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波形最不規(guī)則，第一次反射幅值大且波前緣較陡，一般沒有樁底反射信號(hào)
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4 結(jié)論
本文采用理論模型與工程實(shí)例相結(jié)合的方式，對(duì)混凝土灌注樁的完整樁及不同類型缺陷樁的低應(yīng)變法反射波曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要得出以下結(jié)論：
（1）縮頸樁、離析樁、斷裂（夾泥）樁的反射波曲線均表現(xiàn)為反射波與入射波同相。
（2）擴(kuò)頸樁的反射波曲線表現(xiàn)為反射波與入射波反相。
（3）縮頸樁和擴(kuò)頸樁的反射波曲線波形較規(guī)則，正�？梢姌兜追瓷湫盘�(hào)。
（4）離析樁和斷裂（夾泥）樁的反射波曲線波形不規(guī)則。離析樁反射波曲線呈現(xiàn)波浪線型或波形紊亂，典型特征為波速較��；斷裂（夾泥）樁波形最不規(guī)則，第一次反射幅值大且波前緣較陡，一般沒有樁底反射信號(hào)。
（5）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)由于受多種因素影響，缺陷樁的反射波形態(tài)復(fù)雜多樣，所以對(duì)于反射波特征不明顯的基樁，需要試驗(yàn)人員結(jié)合其他檢測(cè)方式
綜合分析，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。
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