低應變反射波法在水泥攪拌樁中的應用探討

近年來，水泥攪拌樁以其無振動、無噪音、安全可靠且工期比較合理等特點，廣泛應用于高速公路、機場、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到設計要求，在很大程度上依賴于對樁身質(zhì)量的有效檢測。國內(nèi)很多學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)合工程實例，對低應變反射波法檢測水泥攪拌樁樁身完整性方面應注意的問題及檢測結(jié)果進行分析評定，經(jīng)采用開挖、鉆芯、靜載等其他方法對結(jié)果進行比對驗證。
1 原理簡析及可行性分析
低應變反射波法的基本原理是用錘激勵樁頭，所產(chǎn)生的應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。由波動理論可知，當應力波遇到縮頸、離析、空洞、夾泥、斷樁、二次澆灌面時，由于波阻抗變小，反射波與入射波初動相位同相；當應力波遇到擴頸、擴底時，波阻抗變大，反射波與入射波的初動相位反相。結(jié)合反射波振幅大小、頻率和樁身波速高低、反射波到達時間等可對樁的完整性、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計樁長一般大于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攪拌硬化而成，水泥土在受力初期，應力與應變關(guān)系基本上符合虎克定律，可視為彈性材料。水泥攪拌樁樁身設計抗壓強度為1.5MPa～2.0MPa，大于樁周土強度，基本符合一維波動方程的理論假設。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腐蝕性。②成樁工藝：攪拌葉片上噴漿機械成樁。③設計參數(shù)：水泥P.O42.5，樁徑500mm，樁間距1.2m，等邊三角形布樁，平均設計樁長5m～12m，平均水泥摻量55kg/m～65kg/m，在標準養(yǎng)護條件下90d齡期的立方體抗壓強度平均值2MPa，單樁承載力特征值117.8KPa，復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，中號尼龍力棒及美國PDI公司生產(chǎn)的PIT-V V標配尼龍手錘。
2.3 現(xiàn)場準備：對松散、粗糙、不平整的樁頭進行鑿除，距樁中心2/3半徑處對稱打磨直徑為50mm左右的兩個圓點。
2.4 數(shù)值分析結(jié)果與討論。對所抽檢的50根水泥攪拌樁采用低應變反射波法進行完整性檢測，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）。對該樁進行鉆芯，芯樣完整，連續(xù)性好，斷口齊，密實。無側(cè)限抗壓強度達到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）。對該樁進行鉆芯，樁上部芯樣完整，連續(xù)性較好，密實；中部芯樣基本完整；下部芯樣連續(xù)性差。無側(cè)限抗壓強度達到3.14MPa，此類波形的樁在整體中占多數(shù)，經(jīng)對該處做單樁復合地基靜載試驗，承載力滿足設計要求。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）。水泥攪拌樁設計強度較低，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)對該處做單樁復合地基靜載試驗，承載力滿足設計要求。⑤長徑比<7的樁（見圖1NO.5）。檢測該段水泥攪拌樁樁長遠小于設計值（5m）且不足3.5m，但該段地質(zhì)條件很好，樁頂標高-3m以下為砂礫石層。經(jīng)鉆芯驗證，該樁芯樣完整，連續(xù)性好，青灰色，密實。無側(cè)限抗壓強度達到6.35MPa，單樁復合地基靜載試驗承載力值遠大于設計值110KPa（靜載P-S曲線見圖2）。
3 結(jié)語
通過工程實例，低應變法檢測水泥攪拌樁需要注意以下幾個事項：①檢測中提供的樁基長度一般為設計均長，實際施工過程中根據(jù)地層的變化，樁長可能更短，通過鉆芯驗證，實際樁基長度遠小于設計樁長的現(xiàn)象是比較普遍的。②水泥攪拌樁設計強度較低，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，樁底反射信號明確的I類樁基，鉆芯驗證樁長，根據(jù)樁長確定波速，取5根樁的平均值作為該項目水泥攪拌樁的波速設定值。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)量的全面評價。我們應根據(jù)工程實際情況，選擇合理、可靠、有效的檢驗方法，通常應選用兩種或多種方法綜合檢測評定，以確保工程質(zhì)量的安全可靠。