低应变反射波法在水泥搅拌桩中的应用探讨

近年来，水泥搅拌桩以其无振动、无噪音、安全可靠且工期比较合理等特点，广泛应用于高速公路、机场、高层建筑的地基处理加固工程。水泥搅拌桩施工量大且是隐蔽工程，在施工中很难准确地控制水泥搅拌桩施工质量。如何判断施工完成后的水泥搅拌桩是否达到设计要求，在很大程度上依赖于对桩身质量的有效检测。国内很多学者研究用反射波法来检测水泥搅拌桩，并取得了一系列的成果。本文结合工程实例，对低应变反射波法检测水泥搅拌桩桩身完整性方面应注意的问题及检测结果进行分析评定，经采用开挖、钻芯、静载等其他方法对结果进行比对验证。
1 原理简析及可行性分析
低应变反射波法的基本原理是用锤激励桩头，所产生的应力波将沿着桩身向下传播，在传播过程中，如遇到桩底和桩身缺陷所形成的波阻抗界面，将产生声波的反射和透射。应力波反射和透射能量的大小取决于两种介质波阻抗的差异的大小。由波动理论可知，当应力波遇到缩颈、离析、空洞、夹泥、断桩、二次浇灌面时，由于波阻抗变小，反射波与入射波初动相位同相；当应力波遇到扩颈、扩底时，波阻抗变大，反射波与入射波的初动相位反相。结合反射波振幅大小、频率和桩身波速高低、反射波到达时间等可对桩的完整性、缺陷程度、位置等作出综合判断。
目前公路工程上的水泥搅拌桩设计桩长一般大于5m，桩径500mm左右，长径比大于7，满足一维杆件理论且水泥搅拌桩是由水泥就地与地基土充分搅拌硬化而成，水泥土在受力初期，应力与应变关系基本上符合虎克定律，可视为弹性材料。水泥搅拌桩桩身设计抗压强度为1.5MPa～2.0MPa，大于桩周土强度，基本符合一维波动方程的理论假设。鉴此，反射波法检测水泥搅拌桩的桩身完整性从理论上说是可行的。
2 工程实例
2.1 某公路水泥搅拌桩，基本情况：①地层岩性为第四系冲击黄土状土，稍湿-饱和，硬塑-软塑，厚2m～6m，下伏淤泥，软塑状，含少量砂砾石，局部夹有薄层粉砂，厚2m～10m；以下为圆砾层，青灰色，3m～5m；下伏白垩系粘土岩。地下水位较高，约1m～3m，局部鱼塘地表水具有强腐蚀性。②成桩工艺：搅拌叶片上喷浆机械成桩。③设计参数：水泥P.O42.5，桩径500mm，桩间距1.2m，等边三角形布桩，平均设计桩长5m～12m，平均水泥掺量55kg/m～65kg/m，在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值2MPa，单桩承载力特征值117.8KPa，复合地基承载力特征值110KPa。④检测条件：龄期均超过28天。
2.2 检测设备：KON-PIT（N）反射波法桩基完整性检测分析仪，LC0104B加速度传感器，中号尼龙力棒及美国PDI公司生产的PIT-V V标配尼龙手锤。
2.3 现场准备：对松散、粗糙、不平整的桩头进行凿除，距桩中心2/3半径处对称打磨直径为50mm左右的两个圆点。
2.4 数值分析结果与讨论。对所抽检的50根水泥搅拌桩采用低应变反射波法进行完整性检测，通过数据处理分析，结果归纳汇总如下：
①桩身完整，桩底反射波明显的桩（见图1NO.1）。对该桩进行钻芯，芯样完整，连续性好，断口齐，密实。无侧限抗压强度达到5.25MPa，此类波形的桩在整体中所占比例极少。②桩身无缺陷反射波，桩底反射波不明显的桩（见图1NO.2）。对该桩进行钻芯，桩上部芯样完整，连续性较好，密实；中部芯样基本完整；下部芯样连续性差。无侧限抗压强度达到3.14MPa，此类波形的桩在整体中占多数，经对该处做单桩复合地基静载试验，承载力满足设计要求。③桩身搅拌不均匀或人为因素造成桩头浅部断裂的桩（见图1NO.3）。水泥搅拌桩设计强度较低，在施工过程中履带车或其他重车直接在水泥搅拌桩上行走，造成水泥搅拌桩浅部断裂。④检测时桩头处理不好或是桩头较软，不能获得有意义曲线的桩（见图1NO.4）。经对该处做单桩复合地基静载试验，承载力满足设计要求。⑤长径比<7的桩（见图1NO.5）。检测该段水泥搅拌桩桩长远小于设计值（5m）且不足3.5m，但该段地质条件很好，桩顶标高-3m以下为砂砾石层。经钻芯验证，该桩芯样完整，连续性好，青灰色，密实。无侧限抗压强度达到6.35MPa，单桩复合地基静载试验承载力值远大于设计值110KPa（静载P-S曲线见图2）。
3 结语
通过工程实例，低应变法检测水泥搅拌桩需要注意以下几个事项：①检测中提供的桩基长度一般为设计均长，实际施工过程中根据地层的变化，桩长可能更短，通过钻芯验证，实际桩基长度远小于设计桩长的现象是比较普遍的。②水泥搅拌桩设计强度较低，桩头较软，能敲击的次数有限。在数据采集过程中要尽量避免二次采集。③波速的确定。选取5根同工艺、同条件，桩底反射信号明确的I类桩基，钻芯验证桩长，根据桩长确定波速，取5根桩的平均值作为该项目水泥搅拌桩的波速设定值。尽管水泥搅拌桩已有多种检测方法，但每一种方法都有其局限性，都无法完成桩身质量的全面评价。我们应根据工程实际情况，选择合理、可靠、有效的检验方法，通常应选用两种或多种方法综合检测评定，以确保工程质量的安全可靠。