基于低应变检测方法对岩溶地区桩基的研究及应用①

周仁战, 张 尧, 金 园, 姜 丽

(蚌埠学院土木与水利工程学院,安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

我国是世界上最大的岩溶地区之一,岩溶地貌的分布呈现面积大、分布广的特点,但是岩溶地区分布呈现区域性,在西南、华南等地区最为典型[1]。岩溶地区往往具有地质情况复杂且不尽相同、地下水丰富、溶洞发育、暗沟河槽分布等特点,尤其在地下水丰富处会形成地下暗河通道,这些特点给桩基钻探、施工作业带来很大的不确定因素和困难[2]。绝大多数岩溶对建筑地基影响较大,但经过处理或采取适当基础形式后能作为多层甚至高层的建筑地基[3]。许多学者对岩溶地区的基础形式进行了研究[4-7],往往停留在设计阶段,对施工后桩基检测方面的研究相对较少。本文以淮南市溶洞地区人工挖孔灌注桩工程检测为实例,研究和分析在复杂地质条件下低应变反射波法对疑似缺陷的甄别。

1 低应变法原理

将声学中的波动理论用于建设工程上的基桩检测时,即为低应变法检测桩基质量,其原理是:使用小能量瞬时激振的方法在桩基顶部进行锤击,通过反映出的桩顶加速度或速度信号的时域、频域曲线,采用波动理论在一维弹性杆状体中传播规律来分析判定基桩桩身完整性质量,即缺陷位置具体确定及其影响因素的方法(也叫瞬态激振时域频域分析法)[8]。低应变法是可以来判别桩身完整性的一种无损的检测方法,是评定基桩施工质量的一种有效手段[9]。在岩溶地区,地质条件不均匀尤其存在软弱夹层时,应力波在桩身传播过程中受地层变化影响较大,实测曲线时会表现出不同类型的缺陷类反射,往往造成误判[10]。

借助外力使用棒、重锤等物体敲击混凝土桩顶时会沿桩身向下产生压缩波,当桩身质量存在缺陷时就会有明显的波阻抗(Z)变化界面,这时将产生透射和反射波,波阻抗(Z)的变化由反射的相位和幅值大小决定。桩身的材料密度(ρ)、桩身的传播速度(C)以及桩的横截面积(A)三者的乘积组成了桩身波阻抗(Z),具体的表达式如公式(1)所示。

假定在基桩中某个截面上存在一个波阻抗变化界面,截面上、下部的界面波阻抗分别用Z1和Z2表示,上部波阻抗Z1= ρ1c1A1,下部波阻抗Z2=ρ2c2A2,上下部波阻抗变化与桩身质量关系为:当Z1= Z2时,表示桩截面均匀,无缺陷;当Z1＞Z2时,表示在桩截面相应位置上存在混凝土质量较差或截面缩小等缺陷,入射波与反射波速度信号相位完全一致;当Z1＜Z2时,表示在桩截面相应位置上存在扩径,入射波与反射波速度信号相位截然相反。桩身缺陷位置的可按公式(2)、公式(3)确定[11]。

式(2),(3)中:x代表传感器安装位置到桩身缺陷的距离(m),Δtx代表速度波第一波峰与缺陷反射波峰间的时间差(ms)。

2 基桩周围土层(岩层)对低应变法的影响

低应变法在检测基桩时会受到桩周土层(岩层)、微裂缝、尺寸效应等影响,导致采集数据不能准确的反映现场实际成桩质量。桩周边的土层(岩层)其弹性力学性质是应力波自桩顶向桩底传播的边界条件,应力波沿着桩身传播会受到桩周土岩层的影响,最终会引起能量损失和反射波干扰,其中在岩溶地区地质条件的不均匀性使得桩周土层(岩层)反射波的干扰较为明显,直接反映于低应变实测曲线[12]。检测时对桩顶部位施加激振,一部分应力波沿桩身方向垂直传播,另一部分则倾斜射入周边土层(岩层)中。基桩周围土岩层所产生的两种阻力(包括静阻力和动阻力)对应力波的影响与桩身阻抗变化相似,基桩在施工时会碰到二类情况,一是进入软夹层,属于低阻抗介质,土阻力相对减小;相反的情况是进入硬夹层,此时属于高阻抗介质,土阻力相对增大。当基桩进入软夹层时,传播时的实测曲线上将产生一个与入射波同相位的土阻力波,类似于缩径类的反射信号;当基桩进入硬夹层时,传播时的实测曲线上将产生一个与入射波反相位的土阻力波,类似于扩径类的反射信号[13]。

3 工程地质概况

淮南市西部城区某一在建小区,在桩基施工过程中遇到了岩溶地貌,以该小区1#楼为例进行说明,地下1层,地上33层,建筑高度97.6m,室内外高差为0.4m,建筑面积约2.75万㎡,结构形式为剪力墙结构,设计使用年限为50年,抗震设防烈度为6度,采用人工挖孔灌注桩基础。持力层为第⑤层中风化石灰岩,设计总桩数115根,桩长均大于6m,桩径两种类型分别为800mm、1000mm,混凝土强度为C35。根据岩土工程勘察报告,该建筑场地为一级,地基土分层分布如表1所示。

表1 地基土层分布表

⑥-2 强风化片麻岩 0.70～21.50 2.40～19.40灰黄色、灰绿色,岩体裂隙发育极破碎,属极软岩,岩体质量基本等级为V 级。⑥-3 中风化片麻岩 该层未揭穿 / 灰色、灰绿色、灰白色,微裂隙发育,岩体较完整,属较硬岩,岩体质量基本等级为III级。

工程物探分析结果表明1#楼所处场地地貌属剥蚀残丘,地质条件复杂,基岩面起伏明显,岩溶发育较为强烈。侧向和竖向溶蚀情况轮换出现,分布呈现条带状发育,整体表现为深度广、范围大。钻探时遇溶洞的洞隙率达到50%左右且洞隙大小为0.5m～8.0m 不等分布,溶洞内被硬塑状粘土所充填,偶尔会遇到夹溶蚀化灰岩碎块,对工程的结构安全构成影响。溶洞分布见1#楼探点平面布置图中云线区域,如图1所示。

图1 1# 楼探点平面布置图

4 数据采集分析

工程低应变法的检测仪器采用RS-1616KS型高分辨率工程测试仪,主要技术性能指标符合《基桩动测仪》JG/T3055的规定,且能进行现场数据的采集与记录。为全面掌握桩身的施工质量,采取在桩头布置高阻尼的传感器,传感器在桩头不同部位多次激发并采集多组数据,现场测试依据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106—2014 第8 章低应变法进行[11]。 声波在混凝土中波速一般为3000m/s～4000m/s,同时声波速度和混凝土的密实度成正比,混凝土密实度越高,声波速度越快。

项目共采集数据115组,混凝土在基桩桩身的波速范围为3330m/s至3691m/s,波速的平均值3609m/s。本工程勘察采取 “一桩一孔”布置,参考探孔图选取3根可能受地层影响而出现缺陷类反射的低应变法实测曲线进行分析研究。基桩的基本参数及低应变法分析如表2所示。

表2 基桩参数及低应变法分析

由图2 和表1 可知,桩号7-3#的桩长13.00m,在桩的底部反射并不明显,混凝土在该桩的波速约3788m/s。在4.73m 处有较明显反向子波,现场浇注混凝土充盈系数正常,参考探孔图可知在桩顶标高下3.44m～7.97m 存在阻抗较大的石灰岩层,应力波通过基桩时经历的介质依次为“低阻抗→高阻抗→低阻抗”,在低应变法实测曲线呈现反向反射。根据该基桩低应变法实测曲线得出:在4.73m 处存在缺陷类反射是由于桩周围的土层影响所致,不存在桩身扩径现象。

图2 7-3# 基桩低应变法实测曲线

由图3 和表1 可知,桩号9-1#的桩长7.80m,在桩的底部有轻微桩底反射,混凝土在该桩的波速约3688m/s。在桩长的4.15m 处出现了明显反向子波,该情况与7-3#基桩相似,缺陷反射位置系粘土层间下附阻抗较大的石灰岩层,应力波通过基桩时经历的介质依次为 “低阻抗→高阻抗→低阻抗”,在低应变法实测曲线分析图上呈现反向反射。根据该基桩低应变法实测曲线得出:在4.15m 处存在缺陷类反射是由于桩周围的土层影响所致,不存在桩身扩径现象。

图3 9-1# 基桩低应变法实测曲线

由图4 和表1 可知,桩号12-1#的桩长9.00m,在桩的底部有轻微桩底反射,混凝土在该桩的波速约3584m/s。在桩长3.39m 处出现了轻微同向子波,从岩土工程勘察中的探孔报告可知,该基桩对应探孔存在厚度约1.3m 的粘土夹层(溶洞),应力波通过基桩时经历的介质依次为 “高阻抗→低阻抗→高阻抗”,在低应变法实测曲线分析图上呈现同向反射。根据基桩低应变法实测曲线得出:在3.39m 处存在缺陷类反射是由于桩穿过软弱土层所致,不存在桩身的工程质量缺陷问题。

图4 12-1# 基桩低应变法实测曲线

5 结 语

基于低应变法原理,分析了基桩周围土层(岩层)对实际检测的影响;同时,由基桩低应变法实测曲线和基桩参数,分析桩身缺陷类的位置,岩溶地溶洞的大小。研究分析表明:

(1)低应变法在复杂的地质条件能够检测基桩完整性,但应综合考虑岩土工程详勘报告、施工情况综合分析以及成桩工艺以回避地层对曲线影响,从而提高判别的准确性和严密性;

(2)低应变法可以定性判定缺陷的位置和严重程度,但无法定量分析缺陷。为保证地基基础的安全性,同时考虑到建筑成本,可采用静载试验、声波透射法或钻芯法的一种或多种方法进行验证检测;

(3)基于国内传感器技术发展情况,将位移式传感器用桩基检测技术上以提高检测的准确性。