反射波法在水泥攪拌樁樁身質(zhì)量檢測(cè)上的可行性研究摘要：反射波法是低應(yīng)變測(cè)定混凝土樁樁身完整性的一種準(zhǔn)確可靠、經(jīng)濟(jì)、快捷的檢測(cè)方法。本文結(jié)合工程攪拌樁體，對(duì)低應(yīng)變反射波法應(yīng)用于水泥攪拌樁的理論基礎(chǔ)、實(shí)際應(yīng)用與可靠性進(jìn)行了分析。認(rèn)為只要選擇合理，處理得當(dāng)，在滿足一定的條件下，利用反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的樁身完整性是可行的；同時(shí)也指出尚存在一定的局限性，需要認(rèn)真研究和解決。關(guān)鍵詞：反射波法；水泥攪拌樁；摻入比；強(qiáng)度；齡期abstract:Lowstrainreflectionwavemethodappliedinpileintergrityisakindofexact,credibleeconomicandshortcuttest.Thispaperanalyzedsthetheorybase,practiceandreliabilitythroughtheapplicationoflowstrainreflectionwavemethodtotestcement-soilmixingpile.Reflectionwavemethodtotesttheintegrityofcement-soilmixingpileisfeasibleontheassumptionthatchooseisreasonable,suitabledoing.Simultaneitythereissomedeficiencythatneedstobestudiedandsolvedseriously.Keywords:reflectionwavemethod；cement-soilmixingpile；ratioofmixture；intensit；age1前言低應(yīng)變反射波法是測(cè)定混凝土樁樁身完整性的一種檢測(cè)方法，已在預(yù)制樁、混凝土灌注樁等剛性很大的樁身質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，其經(jīng)過(guò)多年的研究、應(yīng)用及發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟，事實(shí)證明它是一種準(zhǔn)確可靠、經(jīng)濟(jì)快捷的檢測(cè)手段。近年來(lái)，隨著深層攪拌樁在軟土地區(qū)的廣泛應(yīng)用，工程上迫切需要一種能夠?qū)Υ藬嚢铇稑渡碣|(zhì)量進(jìn)行快速有效地分析與評(píng)估的檢測(cè)手段。目前對(duì)水泥土樁檢測(cè)主要根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)的規(guī)定，可采用開(kāi)挖檢查、輕便觸探、鉆孔取芯等進(jìn)行樁身質(zhì)量的檢驗(yàn)，這些方法也就只能對(duì)個(gè)別或極少部分樁身質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià),無(wú)法反應(yīng)整個(gè)工程的實(shí)際情況,并且檢測(cè)費(fèi)用較高、人員工作量及設(shè)備投入量相對(duì)較多、檢測(cè)過(guò)程較為煩瑣，其結(jié)果也就難免以偏概全。因此，能否將應(yīng)用于混凝土樁身質(zhì)量評(píng)價(jià)的反射波法成功地應(yīng)用于攪拌樁，已經(jīng)成為樁基動(dòng)測(cè)界中一個(gè)迫切需要研究及解決的課題。在國(guó)內(nèi)，到目前為止，反射波法檢測(cè)攪拌樁樁身質(zhì)量還處于探索階段，盡管有許多學(xué)者與同行進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，但是由于所檢測(cè)的對(duì)象具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性（地質(zhì)環(huán)境差異、樁身材料的非嚴(yán)格均勻性、樁周介質(zhì)阻抗與樁身介質(zhì)阻抗差異小、施工工藝的差異、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)條件的差異），其準(zhǔn)確性與可靠性還有待進(jìn)一步提高與完善。本文結(jié)合近年來(lái)的一些工程實(shí)踐，就反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁的應(yīng)用可行性談?wù)勔恍﹤€(gè)人體會(huì)與看法。低應(yīng)變檢測(cè)理論基礎(chǔ)低應(yīng)變反射波法是建立在—維波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上的，且樁身材料彈性性能良好，使瞬態(tài)作用在樁頂?shù)募ふ袼a(chǎn)生的彈性應(yīng)力波只能在樁桿內(nèi)傳播。假設(shè)樁為質(zhì)地均勻、各向同性的—維線彈性體（樁的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑，且入射波波長(zhǎng)λ大于樁的直徑），當(dāng)用手錘在樁頂敲擊時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力波在樁身傳播滿足—維波動(dòng)方程：C=√E/ρE—樁身彈性模量；ρ—樁身混凝土密度。當(dāng)有入射波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2，將在兩種介質(zhì)的界面處產(chǎn)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(jì)算：反射系數(shù)F為：樁長(zhǎng)和缺陷位置是根據(jù)在時(shí)域范圍內(nèi)應(yīng)力波反射的公式確定:L=t·C/2式中L為樁長(zhǎng)或質(zhì)量存在缺陷的位置；t為應(yīng)力波傳播的時(shí)間；C為波速。反射波法中t根據(jù)檢測(cè)波形可直接識(shí)別確定，C根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定或試驗(yàn)獲得。根據(jù)采集的波形判斷樁長(zhǎng)及缺陷位置等。反射波法的理論盡管簡(jiǎn)單,但對(duì)該方法的使用有著比較嚴(yán)格的前提條件,即樁體強(qiáng)度必須滿足一定強(qiáng)度要求的情況,因此在基樁的頂端施加一個(gè)初始錘擊力時(shí)，就產(chǎn)生應(yīng)力波并沿樁體傳播，在樁底端由于存在波阻抗界面，將產(chǎn)生反射波。若局部混凝土不密實(shí)或不均勻，在樁身中也會(huì)存在波阻抗界面。通過(guò)分析在樁頂端所檢測(cè)反射波的雙程旅行時(shí)間、波幅、頻率、相位和能量，可以判定基樁的長(zhǎng)度及其缺陷區(qū)段，即反射波法檢測(cè)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(shí)別。水泥土攪拌樁體的工程性能水泥加固土的機(jī)理軟土與水泥采用機(jī)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(xué)反應(yīng)過(guò)程。它與混凝土硬化機(jī)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(zhì)─砂、碎石）中進(jìn)行水解和水化作用，所以凝結(jié)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(guò)水泥的水解和水化反應(yīng)、水泥水化物與土顆粒之間的離子交換和團(tuán)粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化學(xué)反應(yīng)而成為具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土樁體，水泥土在受力初期，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系基本上符合虎克定律。（2）影響水泥土強(qiáng)度的因素試驗(yàn)研究表明，影響水泥土強(qiáng)度的因素有:水泥摻入比、水泥標(biāo)號(hào)、養(yǎng)護(hù)齡期、土樣含水量、水中有機(jī)質(zhì)含量、外加劑及土體圍壓等。水泥土強(qiáng)度隨水泥摻入比增加而提高，水泥摻入比小于aw≤5%時(shí),固化反應(yīng)很弱,水泥土比原狀土強(qiáng)度增強(qiáng)甚微，故在深層攪拌法的實(shí)際施工中水泥摻入比aw＞5%。當(dāng)水泥摻入比超過(guò)一定數(shù)量時(shí),強(qiáng)度增加幅度減緩。水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)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(qiáng)度增長(zhǎng)率也不同。另外,水泥土強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律不同于混凝土。水泥水泥土的水泥摻入比相同時(shí),地基土含水量高,水泥土的密度小。水泥土強(qiáng)度隨地基土的含水量的提高而降低。土體含水量過(guò)低或過(guò)高對(duì)水泥水化都存在不利影響。水泥土的強(qiáng)度隨水泥標(biāo)號(hào)提高而提高。水泥摻入比相同時(shí),水泥標(biāo)號(hào)每增加100號(hào),水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大20～30%。水泥種類對(duì)水泥土強(qiáng)度也有影響,且與土中礦物成分和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。由以上分析可以看出,水泥的摻入比和水泥土的齡期對(duì)樁體強(qiáng)度起主要作用,可以說(shuō),在具體應(yīng)用中其它影響因素都是通過(guò)這兩個(gè)因素來(lái)反映;亦即水泥土樁的強(qiáng)度主要由水泥摻入比和齡期決定。低應(yīng)變動(dòng)測(cè)方法水泥土攪拌樁的可行性分析（1）水泥土強(qiáng)度與波速的關(guān)系反射波法檢測(cè)基樁的理論基礎(chǔ)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(zhì)具有一定強(qiáng)度區(qū)別與樁周土,即樁身波阻抗遠(yuǎn)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(cè),而混凝土樁與水泥土攪拌樁在的形成機(jī)理和樁體材料的強(qiáng)度等級(jí)存在著差異,因此在采用反射波方法檢測(cè)水泥土樁時(shí),必須考慮水泥土強(qiáng)度的變化影響。水泥土樁的強(qiáng)度是決定了反射波法的使用成敗的關(guān)鍵。統(tǒng)計(jì)資料表明，到28d齡期時(shí)，水泥土的強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%左右，到90d齡期時(shí)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從檢測(cè)效果的角度出發(fā)，齡期越長(zhǎng)，強(qiáng)度越高，檢測(cè)效果越好。如果過(guò)早地進(jìn)行檢測(cè)，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(dòng)方程的理論假設(shè)；或由于錘擊時(shí)，因?yàn)闃渡碚w強(qiáng)度不高或樁頂疏松，形成波形的低頻震蕩，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效的分析與判斷。因此建議水泥攪拌樁最佳的檢測(cè)齡期為28d以上。圖2波速與水泥土抗壓強(qiáng)度關(guān)系（2）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題由于水泥土無(wú)粗骨料，彈性波在水泥土內(nèi)部傳遞時(shí)，介質(zhì)散射引起的衰減較小，而介質(zhì)吸收產(chǎn)生的衰減較大。為了取得良好的檢測(cè)效果，應(yīng)盡可能破除樁頂松散層，打磨各測(cè)點(diǎn)，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(shí)為減少?gòu)椥圆芰康膿p失，傳感器安裝應(yīng)采用如黃油、石膏一類的膠狀或漿狀物質(zhì)作耦合劑，安裝時(shí)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(jù)經(jīng)驗(yàn),在使用低應(yīng)變反射法檢測(cè)水泥土攪拌樁時(shí),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(shí)例分析（1）實(shí)例1：平湖市某工程2#樓為5-6層磚混結(jié)構(gòu)，占地面積約600平方米，地基采用水泥攪拌樁進(jìn)行處理加固，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)8.5～9.69m，水泥摻入比15%,即每延米50Kg水泥，水泥標(biāo)號(hào)為425#。該工程地質(zhì)概況為：第一層為素填土，層厚為1.2m左右；第二層為粉質(zhì)粘土，層厚為1.20～3.40m第三層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚約13.0m左右，全場(chǎng)分布。28天后基坑被開(kāi)挖，首先抽取部分?jǐn)嚢铇扼w進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)對(duì)比，使用設(shè)備為PIT-V樁基完整性測(cè)試儀(美國(guó))，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)波形如下：從以上6根攪拌樁體的實(shí)測(cè)波形來(lái)看，波形清晰，且大多數(shù)樁底反射明顯。按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)8.5～9.69m可計(jì)算出平均波速為1350m/s左右，從（a）號(hào)樁波形來(lái)看，樁身結(jié)構(gòu)在2.5m左右攪拌不均勻；（b）號(hào)樁在2.0m左右樁身攪拌不均；同樣測(cè)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(jiàn)樁底反射。通常對(duì)測(cè)試出的曲線結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，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(xì)確定，在實(shí)測(cè)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(jù)以上對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)本工程的其余大部分樁體進(jìn)行快速普測(cè)，取得了比較好的檢測(cè)效果。（2）實(shí)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(biāo)號(hào)為425#的普通硅酸鹽水泥，地基場(chǎng)地原為海涂，地勢(shì)較低，地質(zhì)分層如下：1-1層為近期吹填土，以粉細(xì)砂為主，物理力學(xué)性質(zhì)較好，qc:1100-1700Kpa,層厚1.60～5.00m，3-1層為淤泥質(zhì)粘土，處于飽和、流塑狀態(tài)，層厚0.50～25.40m，全場(chǎng)分布。經(jīng)40天左右基礎(chǔ)開(kāi)挖，擬定對(duì)部分?jǐn)嚢铇扼w進(jìn)行低應(yīng)變完整性檢測(cè)試驗(yàn)，使用檢測(cè)設(shè)備為PIT-V樁基完整性測(cè)試儀(美國(guó))。該工程部分樁體試驗(yàn)檢測(cè)波形如下：從該工程的場(chǎng)地地質(zhì)情況來(lái)看，攪拌土層主要在1-1層，該層以粉細(xì)砂為主，通過(guò)與水泥噴漿均勻攪拌在一起，這部分水泥土體的樁身強(qiáng)度應(yīng)高于下部土層的樁體。在1-1層施工過(guò)程中噴漿攪拌提升功率消耗大，施工器械設(shè)備額定功率要高，才能保證在該層土中水泥土體攪拌質(zhì)量。從部分被檢樁體的完整性波形來(lái)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(shí)，深層攪拌機(jī)的施工功率較小，難于滿足在粉細(xì)砂中施工要求，結(jié)果出現(xiàn)深層攪拌機(jī)在2～3.0m的位置處噴漿攪拌提升很困難，攪拌鉆頭旋轉(zhuǎn)慢，甚至出現(xiàn)停鉆停噴，導(dǎo)致該段水泥與土體嚴(yán)重?cái)嚢璨痪鶆?。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的波形分析來(lái)看，低應(yīng)變檢測(cè)很好得反映了該工程基樁問(wèn)題，達(dá)到了檢測(cè)樁身質(zhì)量目的。不確定因素與局限性首先,經(jīng)驗(yàn)波速隨著樁的齡期、強(qiáng)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(jīng)驗(yàn)波速范圍波動(dòng)過(guò)大，直接造成檢測(cè)結(jié)果誤差增大。而為取得有代表性的經(jīng)驗(yàn)波速，在工程樁同期打試樁，既不太可能也不太實(shí)際。所以這還得通過(guò)今后不斷的積累和完善，建立起一套完整的經(jīng)驗(yàn)波速與各影響因素的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，才能真正使反射波法檢測(cè)水泥攪拌樁走向應(yīng)用。其次,反射波法應(yīng)用的對(duì)象應(yīng)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(cè)水泥攪拌樁的應(yīng)用,由于施工中的各種因素，常會(huì)使樁體產(chǎn)生諸如局部強(qiáng)度低（水泥漿少或缺失），局部強(qiáng)度高的現(xiàn)象；又因地層土質(zhì)的不同，水泥土的固化程度不一致也會(huì)造成樁體強(qiáng)度沿樁長(zhǎng)不一致；有時(shí)因攪拌不充分造成的水泥層狀、片狀分布將會(huì)令反射波法很難甚至無(wú)法分析。7結(jié)論本文對(duì)低應(yīng)變反射波法在水泥土攪拌樁檢測(cè)中的可行性進(jìn)行了探討分析,并對(duì)該方法與水泥土強(qiáng)度特性的關(guān)系進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)影響水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要因素(齡期和水泥摻入比)的研究及水泥土攪拌樁強(qiáng)度與波速的關(guān)系,以及以上兩個(gè)低應(yīng)變檢測(cè)水泥土攪拌樁實(shí)例分析得出結(jié)論:在綜合考慮各種因素的前提下,對(duì)于目前水泥土攪拌樁廣泛使用425#普通硅酸鹽水泥來(lái)講,水泥摻入比達(dá)到12%以上、在齡期達(dá)到28d以上,采用反射波法檢測(cè)可以獲得較好的檢測(cè)效果；當(dāng)水泥摻入比較高時(shí)可以適當(dāng)提前。但從現(xiàn)有的測(cè)試資料分析來(lái)看，對(duì)于樁身材料強(qiáng)度高，且樁身水泥土均勻，樁身長(zhǎng)度和直徑比不太大時(shí)，反射波法也僅能測(cè)到樁身淺部的某些缺陷，很難測(cè)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(yàn)等對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。參考文獻(xiàn)[1]葉書麟、韓杰