低應(yīng)變反射波法在水泥攪拌樁中的應(yīng)用探討

近年來，水泥攪拌樁以其無振動(dòng)、無噪音、安全可靠且工期比較合理等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速公路、機(jī)場、高層建筑的地基處理加固工程。水泥攪拌樁施工量大且是隱蔽工程，在施工中很難準(zhǔn)確地控制水泥攪拌樁施工質(zhì)量。如何判斷施工完成后的水泥攪拌樁是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在很大程度上依賴于對(duì)樁身質(zhì)量的有效檢測。國內(nèi)很多學(xué)者研究用反射波法來檢測水泥攪拌樁，并取得了一系列的成果。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)低應(yīng)變反射波法檢測水泥攪拌樁樁身完整性方面應(yīng)注意的問題及檢測結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)定，經(jīng)采用開挖、鉆芯、靜載等其他方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。
1 原理簡析及可行性分析
低應(yīng)變反射波法的基本原理是用錘激勵(lì)樁頭，所產(chǎn)生的應(yīng)力波將沿著樁身向下傳播，在傳播過程中，如遇到樁底和樁身缺陷所形成的波阻抗界面，將產(chǎn)生聲波的反射和透射。應(yīng)力波反射和透射能量的大小取決于兩種介質(zhì)波阻抗的差異的大小。由波動(dòng)理論可知，當(dāng)應(yīng)力波遇到縮頸、離析、空洞、夾泥、斷樁、二次澆灌面時(shí)，由于波阻抗變小，反射波與入射波初動(dòng)相位同相；當(dāng)應(yīng)力波遇到擴(kuò)頸、擴(kuò)底時(shí)，波阻抗變大，反射波與入射波的初動(dòng)相位反相。結(jié)合反射波振幅大小、頻率和樁身波速高低、反射波到達(dá)時(shí)間等可對(duì)樁的完整性、缺陷程度、位置等作出綜合判斷。
目前公路工程上的水泥攪拌樁設(shè)計(jì)樁長一般大于5m，樁徑500mm左右，長徑比大于7，滿足一維桿件理論且水泥攪拌樁是由水泥就地與地基土充分?jǐn)嚢栌不?，水泥土在受力初期，?yīng)力與應(yīng)變關(guān)系基本上符合虎克定律，可視為彈性材料。水泥攪拌樁樁身設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為1.5MPa～2.0MPa，大于樁周土強(qiáng)度，基本符合一維波動(dòng)方程的理論假設(shè)。鑒此，反射波法檢測水泥攪拌樁的樁身完整性從理論上說是可行的。
2 工程實(shí)例
2.1 某公路水泥攪拌樁，基本情況：①地層巖性為第四系沖擊黃土狀土，稍濕-飽和，硬塑-軟塑，厚2m～6m，下伏淤泥，軟塑狀，含少量砂礫石，局部夾有薄層粉砂，厚2m～10m；以下為圓礫層，青灰色，3m～5m；下伏白堊系粘土巖。地下水位較高，約1m～3m，局部魚塘地表水具有強(qiáng)腐蝕性。②成樁工藝：攪拌葉片上噴漿機(jī)械成樁。③設(shè)計(jì)參數(shù)：水泥P.O42.5，樁徑500mm，樁間距1.2m，等邊三角形布樁，平均設(shè)計(jì)樁長5m～12m，平均水泥摻量55kg/m～65kg/m，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值2MPa，單樁承載力特征值117.8KPa，復(fù)合地基承載力特征值110KPa。④檢測條件：齡期均超過28天。
2.2 檢測設(shè)備：KON-PIT（N）反射波法樁基完整性檢測分析儀，LC0104B加速度傳感器，中號(hào)尼龍力棒及美國PDI公司生產(chǎn)的PIT-V V標(biāo)配尼龍手錘。
2.3 現(xiàn)場準(zhǔn)備：對(duì)松散、粗糙、不平整的樁頭進(jìn)行鑿除，距樁中心2/3半徑處對(duì)稱打磨直徑為50mm左右的兩個(gè)圓點(diǎn)。
2.4 數(shù)值分析結(jié)果與討論。對(duì)所抽檢的50根水泥攪拌樁采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行完整性檢測，通過數(shù)據(jù)處理分析，結(jié)果歸納匯總?cè)缦拢?
①樁身完整，樁底反射波明顯的樁（見圖1NO.1）。對(duì)該樁進(jìn)行鉆芯，芯樣完整，連續(xù)性好，斷口齊，密實(shí)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.25MPa，此類波形的樁在整體中所占比例極少。②樁身無缺陷反射波，樁底反射波不明顯的樁（見圖1NO.2）。對(duì)該樁進(jìn)行鉆芯，樁上部芯樣完整，連續(xù)性較好，密實(shí)；中部芯樣基本完整；下部芯樣連續(xù)性差。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.14MPa，此類波形的樁在整體中占多數(shù)，經(jīng)對(duì)該處做單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。③樁身攪拌不均勻或人為因素造成樁頭淺部斷裂的樁（見圖1NO.3）。水泥攪拌樁設(shè)計(jì)強(qiáng)度較低，在施工過程中履帶車或其他重車直接在水泥攪拌樁上行走，造成水泥攪拌樁淺部斷裂。④檢測時(shí)樁頭處理不好或是樁頭較軟，不能獲得有意義曲線的樁（見圖1NO.4）。經(jīng)對(duì)該處做單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。⑤長徑比<7的樁（見圖1NO.5）。檢測該段水泥攪拌樁樁長遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值（5m）且不足3.5m，但該段地質(zhì)條件很好，樁頂標(biāo)高-3m以下為砂礫石層。經(jīng)鉆芯驗(yàn)證，該樁芯樣完整，連續(xù)性好，青灰色，密實(shí)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.35MPa，單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)承載力值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值110KPa（靜載P-S曲線見圖2）。
3 結(jié)語
通過工程實(shí)例，低應(yīng)變法檢測水泥攪拌樁需要注意以下幾個(gè)事項(xiàng)：①檢測中提供的樁基長度一般為設(shè)計(jì)均長，實(shí)際施工過程中根據(jù)地層的變化，樁長可能更短，通過鉆芯驗(yàn)證，實(shí)際樁基長度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)樁長的現(xiàn)象是比較普遍的。②水泥攪拌樁設(shè)計(jì)強(qiáng)度較低，樁頭較軟，能敲擊的次數(shù)有限。在數(shù)據(jù)采集過程中要盡量避免二次采集。③波速的確定。選取5根同工藝、同條件，樁底反射信號(hào)明確的I類樁基，鉆芯驗(yàn)證樁長，根據(jù)樁長確定波速，取5根樁的平均值作為該項(xiàng)目水泥攪拌樁的波速設(shè)定值。盡管水泥攪拌樁已有多種檢測方法，但每一種方法都有其局限性，都無法完成樁身質(zhì)量的全面評(píng)價(jià)。我們應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇合理、可靠、有效的檢驗(yàn)方法，通常應(yīng)選用兩種或多種方法綜合檢測評(píng)定，以確保工程質(zhì)量的安全可靠。