粉喷桩完整性检测中应力波反射法的应用

王志军　杜振宇

近几年邯郸市在处理淤泥上，粉土及含水量较高的粘性土等软弱地基时，多数采用了粉喷桩进行复合地基加固处理，该方法具有造价低、速度快等优点，因而被广泛应用。

粉喷桩是用水泥及少量添加剂就地与地基土体充分混合而形成了“水泥土桩”，其对施工工艺要求较高，掌握不好即容易出现质量问题，常见的有水泥与土混合搅拌不均匀而导致局部水泥喷量少或无水泥，或水泥未喷开形成水泥结核。由于该项工艺施工速度快，且属隐蔽性施工不宜监控，个别施工单位偷工减料，致使桩长不够，另外由于粉喷桩桩体强度较低施工单位截桩头时方法不当，易产生桩身浅部断裂等等。这些质量问题将在某种程度上影响地基处理质量。

由于深层搅拌桩成桩工艺的特殊性，其施工质量及处理效果引起了人们的高度重视，规范规定的一些质量检测的方法，如开挖检查，钻孔取芯，标准贯入等投入大、效率低，已不能满足当前工程检测的需要。

近几年，邯郸市把低应变应力波反射法应用到桩身完整性质量检测中，对桩身水泥喷量、桩长、搅拌均匀性、断裂进行了客观判断，并取得了较好效果。

（一）检测工作原理

应力波反射法，以一维杆件中波动理论为基础，假定桩身为一维弹性杆件，介质均匀连续，桩身波阻抗远大于桩周土波阻抗，不考虑桩周土影响，这时有一维波动方程。

由一维波动理论可知，桩身波阻抗表达式为：

Z=EA/C=PCA

Z：桩的广义波阻抗；

C：弹性纵波波速；

E：桩的弹性模量；

A：桩的横截面积；(www.xing528.com)

P：桩的质量密度。

将一维波动理论用于一维杆件弹性桩，在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，此波以速度C向下传播，当遇到波阻抗变化截面时，此入射波发生反射和透射，分析桩顶入射波在变截面处的反射和透射可得：

式中角标I、R、T分别代表入射、反射和透射。

由上式可见，下行波在向下传播过程中，遇到波阻抗减小（Z1＞Z2），产生反射波和透射波，这时反射波VR与入射波VI符号一致，表明反射波的速度信号和入射波的速度信号同相位（同向反射），当下行波遇到阻抗增大（即Z1＜Z2），反射波VR与入射波VI符合相反，表明反射波的速度信号与入射波的速度信号相位相反（反向反射）。

（二）实例实用

由于粉喷桩所处理的地基土均为软弱土层，其桩周土的强度与“水泥土桩”的差异较大，因此，检测条件基本满足应力波反射波法的基本假设。在锤击激振前，事先在桩顶安装好传感器，即可以通过传感器接收到来自桩身各个波阻抗变截面处反射上来的信息，根据这些信息变化，结合其他工程条件，即可以判定所检测桩的桩身完整性。经过几年来对邯郸市近300余栋多层及高层住宅实地应用检测取得了较为成功的经验。所测工程，原始信号均有一共同特点，即信号中存在不同程度较为规整的振荡，而且振荡主频与养护龄期的长短有一定关系，邯郸此类工程一般均在成桩一个月左右开始检测，其振荡主频一般在800～1200Hz。由于粉喷桩的特性，测试所获得的信号，无论是起跳峰间时距，还是峰间相对幅度，经常存在不同程度的差别，这种信号我们很难做出准确判断。但经过对原始时域信号进行合理的滤波处理后，则得到一致性较好的分析曲线，曲线特征与桩土系统的响应基本一致，因而进行完整性分析就相对简单了。

某6层住宅楼位于邯郸市东部，场地为第四纪新沉积土层，0.4m粉土，1.3～3.1m为高压缩性粉土，地基土承载力特征值为85.5kPa，0.3～1.5m为饱和，软塑-可塑，粘土，fk=80kPa，1.8～4.5m为高压缩性粉土，fk=100kPa，2.2～4.8m为高压缩性粘土，fk=90kPa。

该工程采用粉喷桩复合地基，设计有效桩长为7m，桩径￠500mm，处理后复合地基承载特征值大于等于120kPa。经过对该工程粉喷桩进行低应变反射法检测。取得较完整的实测曲线，波形规则，桩底反射明显，平均波速为1200～1400m/s，说明该工程搅拌均匀，成桩质量较好，按平均波速反算桩长达到7.0m，并经单桩复合地基承载力检测达到设计要求，但也存在个别桩出现界面反射阻抗变小，说明该部位桩身强度低。

某12层底商住宅楼，采用粉喷桩复合地基，设计桩长6.1m，桩径500mm，面积置换率m=23.2%，桩身水泥强度为1.8MPa。在粉喷桩施工完毕40天后，采用低应变反射波法对桩身质量进行了抽测检测。所测试的150根桩中，波形完整，桩底反射明显，复搅深度满足要求，平均波速为1100～1500m/s，桩身质量优良及合格桩达到95%，但也有个别桩的测试曲线，浅部出现强烈的同相信号反射，图形判定为浅部断裂，经开挖验证，分别在1.2m、1.5m处断裂。分析原因是由机械凿桩时，方法不当造成。

（三）结论与建议

实践证明，由于粉喷桩波速仅为1100～2100m/s，且桩长较短（一般小于10m），对测试系统的上下限频率范围及线性度均没有刚性桩那样严格，对完整性分析的要求也相对较松，因此，利用检波器（速度计的一种）测试，并用适当质量的铁锤提供激振能量，这种模式对粉喷桩进行低应变完整性检测是可行的，但是由于粉喷桩设计强度一般小于2.0MPa，桩头较软，因此低应变测试时其养护龄期应在20天以上。由于采集到的时域信号保持一致性较差，且存在低频振荡干扰，桩底反射一般过于平缓，因而在分析时应进行适当滤波处理，并结合频域分析，才能做出准确分析与判断。同时在粉喷桩完整性检测前应详细了解场地地层分布情况，了解工艺特性，并掌握粉喷桩桩身设计参数，如桩长、复搅深度、整桩强度等，以便做出符合工程实际的判断结果。