反射波法在基础柱混凝土缺陷检测中的应用.pdf

第l l 期 2 0 o 5 年l 1 月 广东土 木与 建筑 GUANGDONG ARCHI TECTURE CI VI L ENCI NEERI NC No 1 1 NOV 2 0 o 5 反射波法在基础柱混凝土缺陷检测 中的应用 朱远 航 ( 清远 市建筑工程质量监督检测站 广 东清远 5 1 1 5 1 5 ) 摘 要 ： 为了检测某 工程基础混凝 土柱可能存在的缺陷， 而又避免大范围的土方重新 开挖 。 我们尝试运用反射波 法对 基 础 柱 混凝 土质 量 进 行 检 测 ， 从 而获 得 成 功 经验 ， 并 对 其 适 用性 进 行理 论 分 析 。 关 键 词 ： 反 射 波 法 ；一 维 线 弹性 杆 ：应 力 波 理论 l 前 言 某区域范围内有部分商住楼工程 由于基础土 方回填过早和回填方式不当 ， 造成个别基础柱开裂 倾斜 ， 为 了确保 工程质 量 ， 必 须对 所有 影响 范 围内的 基础柱结构进行完整性检测 。但 由于该 区域地下水 位较高 ， 如何能在避免大范围土方重新开挖 的同时 检测 出 已填 埋 的基 础柱 是 否 出现 开 裂 是一 个 急 需 解决 的 问题 。考 虑到 基础柱 与基 桩在 材料 、 性状 、 所 处条件等方面均具有相似性 ， 我们决定尝试运用可 检测基桩桩身结构完整性的反射波法。根据反射波 法的理论假设和适用条件等 ， 结合工程实际情况进 行理论分析 ， 并以某商住楼工程为试点开展 了检测 试验 工作 。 2工 程概 况 该工程采用天然地基浅基础 ， 楼高 7层 基础采 用 C 2 5混 凝 土 持 力 层 为 卵 石层 基 础 主 要 设 计 参 数见 表 1 。基础采 用 大开挖施 工 ， 柱混凝 土施 工完 毕 表 1 基础主要设计参数 注)设计柱高 H= 5 0 m。 数 天后 施 工方 为加 快施 工 进度 在柱 身混 凝 土 强 度 尚未 达到 设计 要求 时 即进 行 土 方 回填 加 上 施 工方法 不 当 造成 有 一根 基础 柱 在 回填 土 的 单 侧 挤 压 下 发 生 倾 斜 重 新 开挖 后发 现柱 底 与基 础结 合 处 出现 明 显 断裂 现象 。业主 担心 邻近其它基础柱也存在 同样 问题 ，因 而委 托我 站 对有 怀疑 的 基础 柱进 图1 基础柱施工现场 行检测 ， 基础柱施工现场如图 1所示。 3 反射 波 法适用 性 的理论 分析 反 射波 法一 般应 用在 基桩 桩身结 构完 整性 检测 分析中， 该法对于检测基桩存在的横向裂缝、 预制桩 接桩质量不 良、 灌注桩缩颈 、 孔洞等缺陷反映较为准 确 ， 且操作简便 ， 费用较低 适用于作为基桩桩身结 构 完 整性 的 普查 手段 ， 并 为进 一 步进 行 承 载 力检 测 提供参考。 反射 波法 检 测桩 身 结 构完 整性 的基 本 原理 是 ： 通过在桩顶施 加激振信号产生应力波 ， 该应力波沿 桩身传播过程中 当遇到不连续界面( 如蜂窝 、 夹泥 、 断裂 、 孔洞等缺陷) 和桩底面时 ， 将产生反射波 ， 检测 分析反射波的延时 、 幅值和波形特征 就能判断桩身 结 构 完整性 。它 的理 论 基础是 一维 线弹 性杆 波动理 论 以平截面作为基本假定 即把桩视为连续弹性的 一 维均质杆件 且不考虑桩周土对沿桩身传播应力 波的影响 ： 假定桩在变形时横截面保持为平面， 沿截 维普资讯 2 O o 5 年1 1 月 第l l 期 朱远航： 反 射波法 在基础 柱混凝 土缺陷 检测中的 应用 N 0 V 2 O o 5 N 0 1 1 面有均布的轴向应力 因此一般要求受检桩的长细 比 、 瞬时 激励 脉 冲有 效 高频 分 量 的 波长 与 桩 的横 向 尺寸之 比均 宜大 于 5 O 根 据 反射 波 法 的原 理 ， 对 比基础 柱 与 基 桩 的材 料 、 性状 、 施工情况和环境状况等 ， 我们认为将反射 波法应用到基础柱结构完整性检测中 ， 尤其是横 向 裂缝检 测 中是有完 全 可能 的 ， 其 理 由如下 ： ( 1 )基础 柱与 一般 T程 桩 的性 质相 类似 ， 均 属混 凝土 竖 向构 件 而混 凝 土材 料 本 身 对应 力 波 衰减 的 影 响很 J 、 。 ( 2 )本工 程基 础柱 的实 际柱 高与柱 长之 比较 大 基本都在 5 倍以上( 3 3 0 0 6 0 0 = 5 5 倍) ， 符合一维应 力波理论 的平截面假设。 ( 3 )土方 回填 后对 柱周边 产生 一定 的土 阻力 ， 柱 高范 围 内土 阻力 大 小可 认 为是 线 性 增 大 使 得 分 析 基础柱应力波的传递更简单明了。 ( 4 )由于基础 柱与基 础 连接处 存在 截面 突变 ， 刚 度增 大 ， 其情 形类 似于 灌注 桩扩 颈 ， 因此若 基础 柱全 高范围内混凝土质量较好且结构完整 则应 能检测 得出基础柱底反射 并以此作为柱身结构完 整的重 要标志之一 。通过分析柱底反射波的波幅、 相位及 延时可对柱高范围内存在的缺陷进行判断。 图 2基 础柱 应 力 波检 测 原 理 示 意 图 与基桩类似 ， 我们假设基础柱为一维线弹性杆 ( 如图 2 ) ， 其长度 为 L， 横截 面积为 A， 弹性模量为 E ， 质量密度为P， 弹性波速为c o= E p) ， 广义波 阻抗 Z = A pC 经 推导得 出基础柱 的一维波 动方程为 ： 0 2 u 一 0 2 U R 一 ( c n ) 0 2 -0 8 0 ( b )结构完整柱 假设基础柱 中某处阻抗发生变化 ， 当应力波从 介质 I 进入介质 ( 其阻抗值分别为 z l 、 z 2 ) 时， 将产 生速度反射波 和速度透射波 。 。 令柱身质量完好 系数 = z 。 z 2 ， 则有： V r= V 器 V 南 若 Z 2 ， 如柱 某处存 在 横 向裂缝 ， 导 致 该处有效截面积减小 ， 这时反射波的速度 与入射 波的速度 同号 ( 同相 ) 。 缺陷的程度根据缺陷反射 的幅值定性确定 ， 缺陷位置根据反射波的时间 t 由 下 式确 定 ： L x = C t 2 应力 波到达 柱底后 由于截面积增 大 ， 即有 Z I l ， 这时反射波的速度 与入射波的速度 异号 ( 反相) ， 反映到曲线上的柱底反射波时间 t 为： t = 2 L C 应 力波在 基 础一段 传递 过程 中 ，遇到 多截 面变 化 ， 将产生多次的反射波和透射波 ， 情形变得较复杂。 但由于我们分析的对象只是基础柱 故只需 以柱底 截面为界 ， 对 t 时刻以前的反射波形进行分析。 综上所述 ， 结合该工程 的具体情况 ， 我们认为可 以将 基础 柱 视 为一 维线 弹 性杆 同样 适 用 一 维应 力 波理 论 ， 与 基桩 类 似地 应用 反 射 波 法来 检 测 其结 构 完整性 ， 但 能否 真正 应用仍 需要 通过 现场 实践证 明 。 4现 场检 测结 果及 分析 我们在 回填土附近区域现场抽检 1 9根基础柱 包括检测前经开挖发现柱底明显断裂的一根( 轴) ， 其反射波法曲线如图 3 a所示。 检测曲线显示距柱顶 3 7 m 左 右 有 明 显 缺 陷 ， 表现 为 有 一 正 相 波形 ， 该 柱 实 际高度 为 3 7 m， 检测 结 果 与检 测前 开 挖 的情况 非 0 2 4 血 ( c )1 H轴 图 3 基础柱反射波法检测 波形 图 0 2 m ( a )1 E轴 l _4 I n 7 4 蝴 0 _6 1 0 2 m ( d ) 1 2 B 轴 61 维普资讯 2 o o 5 Z1 1 月 第l 1 期 广东土 木与建 筑 N O V 2 O 0 5 N o 1 l 常吻合。而经开挖后证实结构完整的基础柱正常反 射 波法 曲线 如 图 3 h所 示 由 于基础 设 计 为两 级 台 阶 ， 从 基础 柱 到基 础 截 面增 大 ， 刚度 发 生突变 ， 反 射波 法 曲线 表现 为有 一负 相波形， 这与灌注桩有扩颈时的情形是一样的。 另外， 根据部分开挖后测 的基础柱实际柱高， 总结若干根 完 整柱的波 形特 征便 可得 出平均 波速 ，据此修 正 原 设 定波 速还能 准确 判断 其它基 础 柱 的实际柱 高 经检测 ， 我们发现了另一根有明显缺陷的基础 柱( 轴) ， 其反射波法曲线如图 3 c所示。从曲线上 可以很 清楚地 看 出 ， 该 柱距柱 顶 约 3 7 m 处有一 明显 的同相 反射 波 ， 故 可判 定该柱 应存 在 明显 缺 陷 ， 经 开 挖后 证 实该处 已经 断裂 根据检测曲线( 如图 3 d ) ， 我们判断 轴基础柱 距 柱顶 约 3 4 m处存 在轻微 缺 陷 ， 经 开挖 后证 实在 接 近柱底部位存在混凝土缺角 、 漏浆现象 ， 说明反射波 法 对 混凝 土缺 陷 的反 映 还是 较 为 敏感 的 一 些 轻 微 的混凝 土损伤 或细 小裂 缝都 可能 会被检 测 出来 表 2 基础柱检测结果与开挖验证情况 注)设定波速为3 6 0 0 n V s ； 约3 7 m处存在明显缺陷； 约 3 4 m处 存在轻微缺陷 ； ( 实际柱高 3 7 m， 在柱底见明显断裂 ( 破坏面较大 ) ； ( 实际柱高 3 9 m， 在 3 7 m处见明显断裂 ： 接近柱底位置有混凝 土 缺角、 漏浆现象 。 6 2 l 9根 基 础 柱 的检 测 结 果 与 开 挖 验证 情 况 汇 总 见表 2 ( 表中柱高 由施工单位提供 ) ， 参考基桩低应 变检测 时的桩身结构完整性等级划分 ， 我们将柱身 结构完整性分为 I、 、 三类 。针对检测结果 ， 我 们抽取了其中的部分基础柱进行开挖验证 ， 当中包 括 了有 明显 缺陷柱 、 有轻 微缺 陷 柱 以及 完 整柱 从 检测结 果看 来 ， 本次检 测达 到 了预期 目的 发 现 了原来 未 知的缺 陷桩 。分析 两 根 类 柱 裂缝所 在 位置以及形态， 可知正是由于回填土方式不 当， 单侧 急速填土对基础柱造成瞬时强大冲击 ， 相当于在基 础柱上施加了水平 冲击力 ， 而基础柱刚度和强度 尚 不足以抵抗 ， 就难免会引起开裂 ， 其断裂位置正好是 剪 力和弯矩 最 大而截 面发 生 突变 的柱底 5结论 通 过将 现 场检 测结 果 与开 挖情 况进 行 对 比 我 们 可得 出以下 结论 ： 5 1 将 反射 波法 应 用 到基 础柱 混凝 土 缺 陷检 测 中 尤其是横向裂缝检测中是行之有效的 ， 其检测结果 可作 为进 一步 分析处 理 的依据 5 2反射 波法 能用 于检 测 基础 柱混 凝 土缺 陷 是 基 于 基 础 柱 符 合一 维应 力波 理 论 的平 截 面 假 设 的 认 识， 故有一重要前提就是基础梁部分尚未施工。 若在 有 基础 梁 连接 的情况 下 进 行检 测 ， 则 人 射 波在 距 柱 顶很近的地方 即受到由于基础梁存在而引起 的刚度 变化以及各向反射波干扰的影响 ， 使情况变得相 当 复 杂 ， 已不符 合一维 应 力波理 论 的基本 假定 因此 在 这 种情形 下 不适用 反射 波法 。 5 3 反 射波 法 由于方 法 的局 限性 只能 对缺 陷 程度 作 定性 分析 ， 也无 法判 断缺 陷 的具体 类型 因此 还需 要 结合 开挖 验证 或其 它手段 才 能对基 础 柱实 际质 量 情况有明确具体 的了解 而不能仅依靠反射波法即 对其 混凝土 施 丁质量 作 出评价 。 参 考 文献 l D B J l 5 2 7 2 0 0 0 ( 广东省标准 ) 基桩反射波法检测规程 维普资讯