反射波法在人工挖孔桩桩端持力层岩土性状分析中应用探讨

程小顺（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230022）

反射波法在人工挖孔桩桩端持力层岩土性状分析中应用探讨

程小顺
（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230022）

通过某工程人工挖孔桩低应变反射波法实测结果与钻芯法检测结果对比分析，认为低应变反射波法检测结果可定性判断人工挖孔灌注桩桩端持力层岩土性状，岩体的纵波速度与岩石的完整程度、岩石风化程度等因素关系密切[1~2]，本文利用低应变反射波法检测结果计算了人工挖孔灌注桩持力层纵波速度，利用计算的持力层纵波速度对人工挖孔桩持力层岩土性状进行了探讨。

低应变反射波法检测;桩端持力层岩土性状;视反射系数;完整性指数Kv

0　引言

低应变反射波法检测混凝土桩的完整性, 效果较好，已为大量检测实例证实。对人工挖孔灌注桩,在地质条件复杂, 丰富的地下水,施工难度大，施工人员技术素质不足等情况下, 桩底可能出现虚土、岩石破碎、软软夹层等问题。一般情况下，人工挖孔灌注桩的承载力主要由桩端持力层的岩土性状决定，因此，对于人工挖孔灌注桩，桩端持力层岩土性状是否满足设计要求尤为重要。

1　低应变反射波法检测原理

当桩长远大于桩径时，基桩可视为一维弹性杆且假定桩身材料是各向同性的。当桩顶受一激振力,桩顶就会产生应力波，应力波沿桩身向下传播, 在遇到波阻抗差异界面, 就会发生透射和反射。设应力波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ时，产生的速度反射波，其速度反射波大小由下式确定：

式中 Vi为入射波。

Vr为反射波。

Z1为介质Ⅰ广义波阻抗，Z1=ρ1C1A1。

Z2为介质Ⅱ广义波阻抗，Z2=ρ2C2A2。

反射波的大小极性与波阻抗界面两侧的介质密切相关，由Z1、Z2的相对变化决定：

⑴ 当Z1>Z2时, Vr=Vi( Z1- Z2)/( Z1+Z2) >0, 反射波、入射波同向;

⑵ 当Z1

⑶ 当Z1=Z2时, Vr=Vi( Z1- Z2)/( Z1+Z2) =0, 没有反射波。

人工挖孔灌注桩桩底与持力层是一个天然的波阻抗界面，因此，对桩底反射波特征进行分析, 就可确定Z1、Z2的相对变化,进而对桩端持力层的岩土性状进行定性分析。

为了进一步持力层的岩土性状，本文试图利用低应变反射波法检测结果，近似计算持力层纵波波速C2，岩石完整性系数Kv,判断持力层岩石完整性。

把（1）式变换成：Vr=F·ViF=( Z1-Z2) /( Z1+Z2)

F：反射系数。

很明显，反射系数只与桩身材料和桩端持力层的岩土性状有关。桩身的波阻抗Z1=ρ1C1A1可以通过低应变检测结果进行计算，同时反射波系数也可以通过低应变测试的曲线入射波强度和反射波强度进行计算，因此，桩端持力层的波阻抗Z2可以通过Z2= Z1（1-F）/(1+F)计算。

假设A1=A2,则C2=ρ1C1（1-F）/ (1+F)/ ρ2。C1、F可利用低应变反射波法检测结果确定，ρ1根据混凝土强度确定，ρ2采用岩石天然容度，利用C2=ρ1C1（1-F）/(1+F)/ ρ2，计算持力层的纵波波速，推算岩石完整性指数Kv，判断持力层岩石完整性。

人工挖孔灌注桩并非理想弹性介质，由于在桩顶接收反射波信号，桩底反射波有一定衰减，且受桩周土影响，因此，利用实测曲线的入射速度波强度与速度反射波强度比计算的反射系数F并不是波阻抗界面真的反射系数，为了区别，称为视反射系数，在同一工地，桩土条件相近情况下，由此产生的偏差是可以接受的。

2　工程实例分析

2.1工程概况

某工地24#楼，基础采用人工挖孔桩灌注桩，布桩77根，桩径900mm，桩长5.18～6.75m，桩身设计强度等级C30，嵌入⑤2层不小于500mm，设计单桩竖向极限承载力9000kN。

⑤2层为白垩系中风化砂岩，岩石坚硬；天然容重25.1～26.5kN/ m3，平均25.6kN/m3；饱和状态抗压强度33.7～52.8MPa，平均43.0MPa。

2.2桩端持力层岩土性状分析

工程验收试验时，采用桩承载力自平衡法深层平板载荷试验，检测单桩极限承载力，低应变反射波法检测桩身质量。在承载力检测时发现一根桩竖向极限承载力仅3975kN，远小于设计要求。通过对低应变资料分析，造成承载力严重不足的原因可能是持力层的岩土性状不满足设计要求。为了消除工程隐患，确保建筑安全，全面分析低应变资料，选择部分有代表性的桩（包括承载力不足的试验桩）进行了钻芯法检测，钻芯法检测结果见表1。

表1　钻芯法检测结果一览表Table 1 Detection results by drilled core method

从钻芯检测结果看，持力层岩土性状大致可分为三种情况：①基本正常;②岩石节理、裂隙发育、岩石稍破碎;③岩石破碎严重。低应变和钻芯检测结果见图1~3，承载力不足试验桩低应变和钻芯检测结果见图4。

图1～图4表明：低应变反射波法实测曲线都见有同向反射波，反射波强度由基本正常情→岩石节理、裂隙发育、岩石稍破碎→岩石破碎严重依次越来越强，这说明桩身波阻抗大于持力层波阻抗，且持力层波阻抗由基本正常情→岩石节理、裂隙发育、岩石稍破碎→岩石破碎严重依次越来越小，可以判断持力层岩土性状越来越差。

从图1～图4只能得出定性结果，持力层性状究竟如何？首先，根据低应变反射波法检测结果、桩身设计强度和工程勘探等资料，计算了持力层波速。 岩石波速与岩石单轴天然抗压强度有关[3]，依据本工地地质勘探资料和相似工地实测结果，本场地岩石波速取3650m/s,计算了岩体完整性指数Kv，并根据Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系[4]，对持力层岩土性状进行了划分，结果见表2。

对比表1与表2，利用低应变反射波法检测结果对持力层岩土性状的判断与钻芯法检测结果基本一致。

图1　基本正常情况低应变反射波法实测曲线Fig.1 Measured curve of low strain by reflection wave method under basically normal conditions

图2　岩石节理、裂隙发育、岩石稍破碎情况低应变反射波法实测曲线Fig.2 Measured curves of low strain by reflection wave method in case of rock joint，fissure development and rock slight breakage

图3　岩石破碎严重情况低应变反射波法实测曲线Fig.3 Measured curve of low strain of rock breakage by reflection wave method

图4　承载力不足试验桩情况低应变反射波法实测曲线Fig.4 Measured curve of low strain of test pile with insufficient bearing capacity by reflection wave method

表2　岩体完整性指数Kv计算结果一览表Table 2 Calculation results of rock mass intactness index Kv

3　结论

（1）低应变反射波法对嵌岩人工挖孔灌注桩进行检测时，桩底反射波的辨认很重要，桩底反射波强弱与桩端持力层岩土性状（岩石风化程度、岩石完整性）有密切关系。测试时，应根据设计的桩端持力层岩土性状和反射波的强度，对桩端持力层作出初步判断，一般情况，桩底反射波越强，持力层完整性越差。

（2）通过对低应变反射波法检测资料深入分析，结合设计和工程勘察资料，可以计算人工挖孔灌注桩持力层纵波速度和岩石完整性指数，根据完整性指数可持力层的完整性进一步划分，得出更准确结果，为指导工程施工依据。

（3）钻芯法检测是一个比较直观的方法，但钻芯法有不足一面，如设备笨重，施工时间长，费用高，还有 “一孔之见”等局限性。因此，在桩数比较多，工期比较紧的情况下，利用低应变反射波法对桩端持力层岩土性状进行分析判断是一个不错的选择。

[1]吴庆增.超声波检测技术在岩石可钻性分级中的应用探讨[J].探矿工程，1982,(2).

[2]刘盛东.根据纵波速度估计砂岩的岩石学参数[J].安徽地质，1996,(1).

[3]王子江.岩石（体）波速与强度的宏观定量关系研究[J].铁道工程学报，2011,10(10).

[4]GB/T 50218-2014，工程岩体分级标准[S].

diSCuSSion of APPliCAtion of refleCtion WAve method to AnAlySiS of ChArACterS of roCK And Soil of beArinG lAyer At the end of Pile duG by mAn PoWer

ChenG xiao-shun
( Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province, Hefei ,Anhui 230022, China)

By comparison of measured results by reflection wave method with detection results by drilled core method of low strain of man power-dug hole pile of a construction, this paper concluded that reflection wave method detection result of low strain can qualitatively be used for judging characters of rock and soil in bearing layer at the end of man power-dug hole grouting pile, and longitudinal wave velocity of rock mass is closely related to intactness of rock and weathering degree of rocks[1,2]

low strain detection by reflection wave method; characters of rock and soil in pile-end bearing layer; apparent reflection coefficient; intactness index Kv

P631.425

A

1005－6157（2016）01－071－4

2015-09-10

程小顺（1962-），男，安徽怀宁人，高级工程师，现主要从事工程地质与环境地质工作。