水泥搅拌桩施工过程中反射波法应用检测的相关研究.doc

1、1水泥搅拌桩施工过程中反射波法应用检测的相关研究摘要：反射波法是低应变测定混凝土桩桩身完整性的一种检测方法，具有快速、经济等特点。本文结合工程试桩，对反射波法应用于水泥搅拌桩的理论基础、可行性、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还存在一定的局限性，需要认真研究和解决。 关键词：水泥搅拌桩桩身质量反射波法检测研究 中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号： 反射波法是低应变测定混凝土桩桩身完整性的一种检测方法，并且具有准确可靠、经济快捷的检测手段，其经过多年的研究、应用及发展，该项技术已经逐渐走向

2、成熟。随着深层搅拌桩近年来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。但由于对搅拌桩桩身质量的检测往往只能依赖于钻孔取芯或开挖取样等方法，这些方法具有直接、可靠，同时由于其时间长、成本高，所以很难对大批量的搅拌桩进行综合质量评估，其结果往往难以达到预期目的。因此，将应用于混凝土桩身质量评价的反射波法能否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2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

3、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。本文结合近年来的工程实践，就反射波法检测水泥搅拌桩的应用谈谈一些体会与看法 1 理论基础与可行性分析反射波法是建立在维波动理论的基础上的。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 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/ 式中： E桩身弹性模量； 桩身混凝土密度。当有入射波 Fa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

4、 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3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

5、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 2 实际应用与可靠性分析 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

6、。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。 4图 2 波速与水泥土抗压强度关系 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

7、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， 最后，选择合理的波速成为一次成功检测的关键，反射波测出的实际有效桩长：L=t c/2 式中：t弹性波由桩顶传至桩底、经反射后传至桩顶的时间(由仪器测定)；c弹性波在桩身内传播的波速，m/s。因此，波速的选择直接影响到实测桩长与缺陷位置判断的准确性。波速选择的越合理，越具代表性，实测桩长的误差就越小，反射波法检测的可靠性就越高。曾于 2005年在某工程中的工程桩设计要求(设计桩长 14.

8、00m，水泥掺入比 12%)同期制成三根试桩。1 号桩为桩长低于设计桩长的短桩，2 号桩为按设计要求制成的完整桩，3 号桩为只在某一段面减停喷灰量的缺陷桩。成桩 14d后，对其进行检测。首先检测 2 号桩，并将其作为标准参考桩。实测波形清晰，桩底反射明显。按设计桩长 14.00m 可计算出波速为 1200m/s，可将其作为另两根桩的经验波速。随后检测 1 号桩，运用 2 号桩的经验波速可测出 1 号桩实际有效桩长为 11.88m，同样测出 3 号桩缺陷位置在8.76m 处。进一步可对线内同期工程桩进行快速普测，取得了非常好的效果。实践证明，只要选择合理，处理得当，在满足一定的条件下，完全可以利

9、用反射波法检测水泥搅拌桩的桩身完整性。 53 不确定因素与局限性尽管反射波法检测水泥搅拌性有着快速、可靠等诸多优点，但仍有其一定的局限性。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

10、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 4 结束语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。 1 叶书麟、韩杰、叶宝观, 地基处理与托换技术. 北京: 中国建6筑工业出版社, 1994 , 367381. 2 龚晓南，地基处理新技术.陕西: 陕西科学技术出版社,1997,4748. 3 刘明贵、佘诗刚, 汪大国.桩基检测技术指南, 科学出版社,1995 ,245247.