反射波法在水泥搅拌桩桩身质量检测上的可行性

反射波法在水泥搅拌桩桩身质量检测上的可行性研究摘要：反射波法是低应变测定混凝土桩桩身完整性的一种准确可靠、经济、快捷的检测方法。本文结合工程搅拌桩体，对低应变反射波法应用于水泥搅拌桩的理论基础、实际应用与可靠性进行了分析。认为只要选择合理，处理得当，在满足一定的条件下，利用反射波法检测水泥搅拌桩的桩身完整性是可行的；同时也指出尚存在一定的局限性，需要认真研究和解决。关键词：反射波法；水泥搅拌桩；掺入比；强度；龄期abstract:Lowstrainreflectionwavemethodappliedinpileintergrityisakindofexact,credibleeconomicandshortcuttest.Thispaperanalyzedsthetheorybase,practiceandreliabilitythroughtheapplicationoflowstrainreflectionwavemethodtotestcement-soilmixingpile.Reflectionwavemethodtotesttheintegrityofcement-soilmixingpileisfeasibleontheassumptionthatchooseisreasonable,suitabledoing.Simultaneitythereissomedeficiencythatneedstobestudiedandsolvedseriously.Keywords:reflectionwavemethod；cement-soilmixingpile；ratioofmixture；intensit；age1前言低应变反射波法是测定混凝土桩桩身完整性的一种检测方法，已在预制桩、混凝土灌注桩等刚性很大的桩身质量检测中得到广泛应用，其经过多年的研究、应用及发展，该项技术已经逐渐走向成熟，事实证明它是一种准确可靠、经济快捷的检测手段。近年来，随着深层搅拌桩在软土地区的广泛应用，工程上迫切需要一种能够对此搅拌桩桩身质量进行快速有效地分析与评估的检测手段。目前对水泥土桩检测主要根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)的规定，可采用开挖检查、轻便触探、钻孔取芯等进行桩身质量的检验，这些方法也就只能对个别或极少部分桩身质量进行检测评价,无法反应整个工程的实际情况,并且检测费用较高、人员工作量及设备投入量相对较多、检测过程较为烦琐，其结果也就难免以偏概全。因此，能否将应用于混凝土桩身质量评价的反射波法成功地应用于搅拌桩，已经成为桩基动测界中一个迫切需要研究及解决的课题。在国内，到目前为止，反射波法检测搅拌桩桩身质量还处于探索阶段，尽管有许多学者与同行进行过相关的研究，但是由于所检测的对象具有相当的复杂性（地质环境差异、桩身材料的非严格均匀性、桩周介质阻抗与桩身介质阻抗差异小、施工工艺的差异、测试现场条件的差异），其准确性与可靠性还有待进一步提高与完善。本文结合近年来的一些工程实践，就反射波法检测水泥搅拌桩的应用可行性谈谈一些个人体会与看法。低应变检测理论基础低应变反射波法是建立在—维波动理论的基础上的，且桩身材料弹性性能良好，使瞬态作用在桩顶的激振所产生的弹性应力波只能在桩杆内传播。假设桩为质地均匀、各向同性的—维线弹性体（桩的长度远大于直径，且入射波波长λ大于桩的直径），当用手锤在桩顶敲击时，产生的应力波在桩身传播满足—维波动方程：C=√E/ρE—桩身弹性模量；ρ—桩身混凝土密度。当有入射波从介质1传播到介质2，将在两种介质的界面处产生反射与透射图1反射波方法原理示意其波阻抗比用下式计算：反射系数F为：桩长和缺陷位置是根据在时域范围内应力波反射的公式确定:L=t·C/2式中L为桩长或质量存在缺陷的位置；t为应力波传播的时间；C为波速。反射波法中t根据检测波形可直接识别确定，C根据经验选定或试验获得。根据采集的波形判断桩长及缺陷位置等。反射波法的理论尽管简单,但对该方法的使用有着比较严格的前提条件,即桩体强度必须满足一定强度要求的情况,因此在基桩的顶端施加一个初始锤击力时，就产生应力波并沿桩体传播，在桩底端由于存在波阻抗界面，将产生反射波。若局部混凝土不密实或不均匀，在桩身中也会存在波阻抗界面。通过分析在桩顶端所检测反射波的双程旅行时间、波幅、频率、相位和能量，可以判定基桩的长度及其缺陷区段，即反射波法检测水泥搅拌桩必须满足以下理论条件：（1）水泥搅拌桩是否可视为一维弹性杆件。（2）水泥搅拌桩桩身材料是否可视为弹性材料。（3）水泥搅拌桩桩身波阻抗是否可以被识别。水泥土搅拌桩体的工程性能水泥加固土的机理软土与水泥采用机械深层搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程。它与混凝土硬化机理有所不同，混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料（即比表面积不大、活性很弱的介质─砂、碎石）中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥加固土中，将占土重5%～20%的水泥（浆液或粉体）拌入土中通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体，水泥土在受力初期，应力与应变关系基本上符合虎克定律。（2）影响水泥土强度的因素试验研究表明，影响水泥土强度的因素有:水泥掺入比、水泥标号、养护龄期、土样含水量、水中有机质含量、外加剂及土体围压等。水泥土强度随水泥掺入比增加而提高，水泥掺入比小于aw≤5%时,固化反应很弱,水泥土比原状土强度增强甚微，故在深层搅拌法的实际施工中水泥掺入比aw＞5%。当水泥掺入比超过一定数量时,强度增加幅度减缓。水泥土强度增长率在不同的掺入量区域,在不同的龄期是不同的,而且原状土不同,水泥土强度增长率也不同。另外,水泥土强度随龄期的增长而增长,强度增长规律不同于混凝土。水泥水泥土的水泥掺入比相同时,地基土含水量高,水泥土的密度小。水泥土强度随地基土的含水量的提高而降低。土体含水量过低或过高对水泥水化都存在不利影响。水泥土的强度随水泥标号提高而提高。水泥掺入比相同时,水泥标号每增加100号,水泥土的无侧限抗压强度增大20～30%。水泥种类对水泥土强度也有影响,且与土中矿物成分和有机质含量有关。由以上分析可以看出,水泥的掺入比和水泥土的龄期对桩体强度起主要作用,可以说,在具体应用中其它影响因素都是通过这两个因素来反映;亦即水泥土桩的强度主要由水泥掺入比和龄期决定。低应变动测方法水泥土搅拌桩的可行性分析（1）水泥土强度与波速的关系反射波法检测基桩的理论基础是把桩体看做是一维杆件,因此要求桩体必须致密、连续,并且桩体介质具有一定强度区别与桩周土,即桩身波阻抗远大于桩周土的波阻抗。由于反射波法主要是适用于混凝土桩的检测,而混凝土桩与水泥土搅拌桩在的形成机理和桩体材料的强度等级存在着差异,因此在采用反射波方法检测水泥土桩时,必须考虑水泥土强度的变化影响。水泥土桩的强度是决定了反射波法的使用成败的关键。统计资料表明，到28d龄期时，水泥土的强度为设计强度的60%左右，到90d龄期时才能达到设计要求。从检测效果的角度出发，龄期越长，强度越高，检测效果越好。如果过早地进行检测，水泥土尚未完全硬化，水泥土的波阻抗与桩周土的波阻抗较为接近，则不满足一维波动方程的理论假设；或由于锤击时，因为桩身整体强度不高或桩顶疏松，形成波形的低频震荡，导致无法进行有效的分析与判断。因此建议水泥搅拌桩最佳的检测龄期为28d以上。图2波速与水泥土抗压强度关系（2）现场数据采集时应注意的问题由于水泥土无粗骨料，弹性波在水泥土内部传递时，介质散射引起的衰减较小，而介质吸收产生的衰减较大。为了取得良好的检测效果，应尽可能破除桩顶松散层，打磨各测点，并选择合适的振源，一般尼龙锤具有较好的指向性和穿透力。同时为减少弹性波能量的损失，传感器安装应采用如黄油、石膏一类的胶状或浆状物质作耦合剂，安装时切忌用手按住传感器，尽量采用加速度传感器且频带要宽。其次根据经验,在使用低应变反射法检测水泥土搅拌桩时,波速通常选定在1300m/s以上才可能采集到较为清晰的反射波形。5实例分析（1）实例1：平湖市某工程2#楼为5-6层砖混结构，占地面积约600平方米，地基采用水泥搅拌桩进行处理加固，设计桩长8.5～9.69m，水泥掺入比15%,即每延米50Kg水泥，水泥标号为425#。该工程地质概况为：第一层为素填土，层厚为1.2m左右；第二层为粉质粘土，层厚为1.20～3.40m第三层为淤泥质粉质粘土，层厚约13.0m左右，全场分布。28天后基坑被开挖，首先抽取部分搅拌桩体进行低应变动测试验对比，使用设备为PIT-V桩基完整性测试仪(美国)，试验检测数据波形如下：从以上6根搅拌桩体的实测波形来看，波形清晰，且大多数桩底反射明显。按设计桩长8.5～9.69m可计算出平均波速为1350m/s左右，从（a）号桩波形来看，桩身结构在2.5m左右搅拌不均匀；（b）号桩在2.0m左右桩身搅拌不均；同样测出（d）桩3.0m左右搅拌不均；（C）、(e)、（f）三根桩完整性良好，搅拌均匀且可见桩底反射。通常对测试出的曲线结果进行分析时，不能象刚性桩那样把各种缺陷(如断桩、短桩、离析、夹泥等)仔细确定，在实测曲线上波沿桩身传播出现有界面，一般可判定为搅拌不均匀。根据以上对比试验结果，进一步对本工程的其余大部分桩体进行快速普测，取得了比较好的检测效果。（2）实例2：平湖市某工程24#楼为双层花园别墅，房屋地基面积为160平方米，地基采用深层水泥搅拌桩加固，有效加固深度约9.0m，桩径为600mm,水泥掺入比为15%，采用标号为425#的普通硅酸盐水泥，地基场地原为海涂，地势较低，地质分层如下：1-1层为近期吹填土，以粉细砂为主，物理力学性质较好，qc:1100-1700Kpa,层厚1.60～5.00m，3-1层为淤泥质粘土，处于饱和、流塑状态，层厚0.50～25.40m，全场分布。经40天左右基础开挖，拟定对部分搅拌桩体进行低应变完整性检测试验，使用检测设备为PIT-V桩基完整性测试仪(美国)。该工程部分桩体试验检测波形如下：从该工程的场地地质情况来看，搅拌土层主要在1-1层，该层以粉细砂为主，通过与水泥喷浆均匀搅拌在一起，这部分水泥土体的桩身强度应高于下部土层的桩体。在1-1层施工过程中喷浆搅拌提升功率消耗大，施工器械设备额定功率要高，才能保证在该层土中水泥土体搅拌质量。从部分被检桩体的完整性波形来看，桩身缺陷大部分主要表现为浅部2.0m左右搅拌不均匀，不均匀程度较差，主要原因是施工单位在施工时，深层搅拌机的施工功率较小，难于满足在粉细砂中施工要求，结果出现深层搅拌机在2～3.0m的位置处喷浆搅拌提升很困难，搅拌钻头旋转慢，甚至出现停钻停喷，导致该段水泥与土体严重搅拌不均匀。通过对现场采集的波形分析来看，低应变检测很好得反映了该工程基桩问题，达到了检测桩身质量目的。不确定因素与局限性首先,经验波速随着桩的龄期、强度、水泥含量、土样含水量变化存在着明显的不确定性，造成经验波速范围波动过大，直接造成检测结果误差增大。而为取得有代表性的经验波速，在工程桩同期打试桩，既不太可能也不太实际。所以这还得通过今后不断的积累和完善，建立起一套完整的经验波速与各影响因素的相关数据库，才能真正使反射波法检测水泥搅拌桩走向应用。其次,反射波法应用的对象应是一维弹性的均匀体，而目前落后的施工工艺造成的桩身不均匀性，也制约着反射波法检测水泥搅拌桩的应用,由于施工中的各种因素，常会使桩体产生诸如局部强度低（水泥浆少或缺失），局部强度高的现象；又因地层土质的不同，水泥土的固化程度不一致也会造成桩体强度沿桩长不一致；有时因搅拌不充分造成的水泥层状、片状分布将会令反射波法很难甚至无法分析。7结论本文对低应变反射波法在水泥土搅拌桩检测中的可行性进行了探讨分析,并对该方法与水泥土强度特性的关系进行了分析，通过对影响水泥土强度增长的主要因素(龄期和水泥掺入比)的研究及水泥土搅拌桩强度与波速的关系,以及以上两个低应变检测水泥土搅拌桩实例分析得出结论:在综合考虑各种因素的前提下,对于目前水泥土搅拌桩广泛使用425#普通硅酸盐水泥来讲,水泥掺入比达到12%以上、在龄期达到28d以上,采用反射波法检测可以获得较好的检测效果；当水泥掺入比较高时可以适当提前。但从现有的测试资料分析来看，对于桩身材料强度高，且桩身水泥土均匀，桩身长度和直径比不太大时，反射波法也仅能测到桩身浅部的某些缺陷，很难测得桩身下部缺陷，还需综合采用其它一些方法如触探、取芯、静载荷试验等对桩身质量进行综合评价。参考文献[1]叶书麟、韩杰