铁路高性能混凝土基桩检测波速与强度关系的研究

胡在良，张佰战，董承全，李晋平

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 检测概述

混凝土结构完整性是基桩检测的必检项目，检测方法以低应变反射波法和声波透射法为主，当铁路工程基桩桩径＜2 m、桩长≤40 m时采用低应变法检测，桩径≥2 m或桩长＞40 m时采用声波透射法检测。由于铁路工程基桩具有长径比大、承载力高、地质复杂等特点，对于超声波检测，虽然在理论上可以准确测出混凝土波速，但是往往因为声测管弯曲、倾斜等原因，导致波速计算误差较大;低应变法虽不受声测管施工质量的影响，但是常出现桩底反射不明显的现象，无法准确测定波速，导致缺陷位置判定不准确，桩身质量判断存在误差。

目前铁路工程建设中普遍采用高性能混凝土，其组成成份和性能与普通混凝土均有较大差异，以往由普通混凝土提出的混凝土强度与波速关系已不适用于高性能混凝土。本文在参考高速铁路工程高性能混凝土采用的配合比的基础上，制作模型桩开展波速与强度试验研究，研究高性能混凝土强度与波速的关系，提出了高性能混凝土波速参考范围，为工程基桩检测提供参考。

2 高性能混凝土波速分析

2.1 弹性介质中的纵波波速

将混凝土材料视为弹性介质，假定混凝土为连续、均匀、各向同性的完全弹性材料，其应力与应变的关系符合虎克定律。文献［2］分析表明，弹性固体介质中不同边界条件下纵波波速分别为

式(1)和 式(2)中，vu、vl分别为无限大固体介质与细长杆件中传播的纵波波速，ρ为混凝土密度，μ为泊松比，E为弹性模量。

在超声波法检测中，当频率f选择足够高而使超声波的波长小于混凝土试件横向最小尺寸的一半时，超声波在试件中传播的速度将与无限大均匀介质中的相当。因此，式(1)为混凝土超声波波速。

在低应变法检测中，锤击激振频率f较低，瞬态激励脉冲有效高频分量的波长远大于桩的横向尺寸，且桩横向尺寸较小且远小于纵向尺寸，因此，可将桩视为弹性一维杆件。因此，式(2)为混凝土桩低应变波速。

2.2 高性能混凝土波速分析

高性能混凝土配制的特点是低水灰比、掺用高效减水剂和矿物掺合料，因此，高性能混凝土在不同尺度上的组成和结构都与普通混凝土有所不同。

文献表明［3-4］，高性能混凝土中的粒子比值比普通混凝土的高，水灰比很低的高性能混凝土中，水泥石的孔隙率也很低，在一定的粒子比值下，强度随孔隙率的减小而提高。低水灰比提高了水泥石的强度和弹性模量，使水泥石和集料间弹性模量的差距减小。高性能混凝土很低的水胶比和较多的矿物细掺料，弹性模量高的未水化熟料颗粒含量大，砂浆的孔隙率很低，弹性模量较高。因此，高性能混凝土波速高于普通混凝土。

3 模型试验

3.1 配合比设计

参考铁路工程常用的基桩高性能混凝土采用的配合比，制作C25～C50 6种强度等级模型桩及标准立方体试件。所有原材料的质量均满足《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》的要求，其中碎石采用5～25 mm的连续级配，采用425#普通硅酸盐水泥，配合比见表1。

表1 高性能混凝土配合比设计

3.2 模型桩制作

试验制作6种混凝土强度等级(C25～C50)的模型桩，每种各2根，共12根。桩几何尺寸为20 cm×20 cm×250 cm。钢筋配置为:主筋φ10 mm的圆钢4根，箍筋φ6 mm的圆钢，间距49 cm，钢筋保护层厚度为2～3 cm。模型桩采用钢模浇筑，模板为I20工字钢，具有足够刚度保证桩各截面尺寸基本相等，采用振动棒振捣确保桩身完整密实无缺陷。浇筑时间均在入冬之前，日最低温度5℃以上，以防混凝土冻伤，浇筑5 d后移入室内养护。

3.3 标准立方体试件制作

按照C25～C50 6种强度等级浇筑混凝土标准立方体试件(150 mm×150 mm×150 mm)，试件制作与模型桩灌注同时同条件进行，每一强度等级按7 d，14 d，28 d，56 d预留试件，每龄期2组6个，采用与模型桩同条件养护。另预留2组试件，标准养护至28 d进行抗压试验。

3.4 室内试验

波速试验采用武汉岩海公司生产的RS-1616K(S)型基桩动测仪及 RS-ST01C非金属声波检测仪。每种强度等级模型桩分别在 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d和56 d进行低应变测试，每根模型桩采集波形要求具有较好的一致性，波形数不少于6个，取2根模型桩的平均波速作为混凝土的低应变波速。每种强度等级模型桩在 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d 和 56 d 进行声波测试(对测)，沿桩长方向布置测点，每根桩测3组波形，取其平均声时来计算混凝土的超声波速度。7 d，14 d，28 d和56 d对预留试件进行立方体抗压强度试验。

4 试验结果分析

4.1 抗压强度增长规律

本次配制的6种基桩高性能混凝土标准养护试件28 d 抗压强度分别为 35.0 MPa，38.6 MPa，41.8 MPa，50.7 MPa，55.9 MPa 和 68.9 MPa，达到设计强度值的119.4%～139.8%，符合工程基桩混凝土配合比设计要求。根据同条件养护混凝土试件7 d，14 d，28 d，56 d抗压强度试验结果，绘制混凝土抗压强度随龄期的增长曲线，见图1。

图1 混凝土抗压强度随龄期增长曲线

图1中，C25～C50基桩高性能混凝土强度随龄期增长而增长，其中0～14 d增长迅速，随龄期增长强度增长速率变缓;在28 d以后强度仍具有一定的增长量，增长幅度为3.6% ～26.7%。

4.2 低应变波速增长规律

根据模型桩 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d 和 56 d低应变波速测试结果，以龄期为横坐标、波速为纵坐标，绘制低应变波速—龄期曲线，反映不同强度等级基桩高性能混凝土低应变波速随龄期增长规律，见图2。

与强度—龄期曲线相似，基桩高性能混凝土低应变波速随龄期的增长而增长，增长速率随龄期的增长逐渐变缓，曲线呈上凸形状。从图2可以发现，10 d前低应变波速迅速增长，10～28 d波速增长速率变缓，28～56 d波速增长较小，基本趋于稳定。图2中，C30和C35低应变波速曲线较为接近，C40和C45波速曲线较为接近，这一现象与图1强度—龄期曲线规律一致，与混凝土配制有关。

4.3 超声波波速增长规律

为使低应变与超声波波速具有较好的可比性，对模型桩同时进行超声波法测试。波速随龄期增长规律见图3。

图3 声波波速随龄期增长曲线

图3中，声波波速随龄期的增长而增长，其增长规律与低应变波速增长规律相似。龄期在10 d前，超声波波速迅速增长，10～28 d混凝土波速增长速率变缓，28～56 d波速增长较小，基本趋于稳定。

与强度增长规律相比，超声波与低应变波速早期增长较快，28 d后波速基本趋于稳定，而强度仍继续增长。

4.4 低应变波速与强度关系

以7 d，14 d，28 d和56 d的预留同条件养护立方体试件抗压强度值为横坐标，以相应龄期模型桩实测低应变波速为纵坐标，建立低应变波速与强度关系，见图4。

图4 低应变波速—强度关系

图4中，低应变波速随混凝土强度的增长而增长，低应变波速与强度之间具有较好的相关性。对低应变波速与强度数据进行对数拟合，拟合方程为vl=596.08 lnp+1 980.9，相关系数 r=0.965，式中 p为不同龄期高性能混凝土试件的抗压强度值，单位为MPa，vl为相应龄期低应变波速值，单位为m/s。

4.5 声波波速与强度关系

以 7 d，14 d，28 d，56 d 立方体试件抗压强度值为横坐标，以相应龄期模型桩声波波速为纵坐标，建立声波波速与强度关系，见图5。

图5 声波波速—强度关系

对声波波速与强度数据进行对数拟合，其拟合方程为 vu=743.83 lnp+1 755.7，相关系数 r=0.995，式中p为高性能混凝土试件的抗压强度，vu为声波波速。与低应变波速—强度规律类似，声波波速也随混凝土强度的增长而增长，且二者具有较好的相关性。

上述分析表明，高性能混凝土波速与混凝土抗压强度存在较好的相关关系，波速与强度在整体趋势上呈正相关关系，即强度高相应的波速也高。

5 波速参考范围探讨

5.1 波速范围的确定原则

一般情况下，基桩高性能混凝土室内配合比试验强度高于工程基桩钻芯及预留试块强度，且56 d龄期混凝土波速基本稳定，因此，将本次试验56 d龄期对应的波速作为波速范围划定的上限值。取混凝土强度达到设计强度值时对应的波速作为波速范围的下限值，根据波速—强度关系拟合方程计算。

工程基桩一般不会等到龄期达到28 d或56 d以后才进行测试，TB10218—2008第3.1.4规定:当采用低应变反射波法或声波透射法检测时，受检桩桩身混凝土强度不得低于设计强度的70%且桩身强度应不低于15 MPa。本次试验推导混凝土达到70%设计强度时对应的波速，作为工程基桩测试的最低波速参考值。

5.2 低应变波速范围

由低应变波速与强度关系拟合方程，计算强度值为 25，30，35，40，45，50 MPa 对应的混凝土低应变波速。其 值 分 别 为 3 900，4 008，4 100，4 180，4 250，4 313 m/s，以此作为C25～C50高性能混凝土低应变波速范围的下限波速参考值。以本次试验56 d混凝土实测低应变波速作为波速范围的上限参考值，其值分别为4 084，4 177，4 262，4 444，4 456，4 591 m/s。根据拟合方程，计算70%设计强度时对应的低应变波速，作为工程基桩测试的最低波速参考值。C25～C50设计强度的 70% 强度为 17.5，21.0，24.5，28.0，31.5，35.0 MPa，计算得到低应变波速分别为3 687，3 796，3 888，3 967，4 037，4 100 m/s。

结合工程基桩低应变测试经验及本次试验结果，对上述数据进行微小调整，给出高性能混凝土基桩低应变波速范围参考值，见表2。

表2 基桩高性能混凝土低应变波速范围参考值

5.3 超声波波速范围

依据超声波波速与强度关系拟合方程，计算强度值为 25，30，35，40，45，50 MPa 时对应的声波波速分别为4 150，4 286，4 400，4 500，4 587，4 666 m/s;70% 设计强度的声波波速分别为3 885，4 020，4 135，4 234，4 322，4 400 m/s。本次试验C25～C50混凝土56 d龄期实测声波波速分别为4 408，4 540，4 685，4 908，4 941，5 056 m/s。进行适当修正后，给出基桩高性能混凝土超声波波速参考范围，见表3。

表3 基桩高性能混凝土超声波波速范围参考值

高性能混凝土波速除了与强度有关外，还与混凝土的骨料品种、粒径级配、密度、水灰比、成桩工艺等因素有关，不同工地的高性能混凝土，其检测波速可能存在一定的差异。但考虑到铁路工程基桩高性能混凝土的原材料选取及配合比设计要求较为严格，且本次高性能混凝土配合比设计及试件抗压强度分布规律符合工程实际。因此，表2和表3中高性能混凝土的波速范围可作为工程检测的参考依据。

6 工程应用

工程基桩测试常因声测管偏斜、弯曲导致声波波速计算误差大、波速临界值异常且波速曲线显示异常，影响基桩质量评判，如果单纯依靠软件进行纠偏处理，容易引起数据失真。对于低应变检测，常存在桩底反射不明显，缺陷位置判断误差大等特点。因此，表2和表3为基桩的判定提供了参考依据，为了验证表2和表3数据的合理性，本文列举了两个典型工程实例进行分析，应用效果较好。

实例1:某铁路特大桥178-5#桩，桩长63 m，桩径1.0 m，C30混凝土，声波检测表明，在12.5～13.0 m处存在缺陷。该桩采用了低应变对比检测，且进行了钻芯验证，在12.5～13.0 m处混凝土离析，低应变时域曲线见图6。

图6 某特大桥178-5#桩低应变时域曲线

图6时域曲线中，在 t=6.05 ms处存在同向特征，桩底无明显反射信号。根据声波法与钻芯法检测的缺陷部位，推算低应变波速为4 132 m/s，与表2提供的波速参考范围相吻合。

实例2:某特大桥171-5#桩，桩长66.5 m，桩径1.0 m，C40混凝土，采用声波透射法检测。图7(a)为实测声波曲线，仅列举1-3剖面进行说明，管间距580 mm，声测管在47 m左右存在严重弯管现象，该剖面波速平均值5 539 m/s、波速临界值847 m/s，波速曲线超出显示范围，不符合规范要求。该桩波幅与PSD(波速异常斜率法判据)正常，综合判断桩身混凝土质量良好，根据表3的波速范围进行修正，修正后剖面波速平均值4 645 m/s、波速临界值4 000 m/s，波速曲线显示良好，见图7(b)。

图7 某特大桥171-5#桩声波曲线

7 结语

本文通过对基桩高性能混凝土波速与强度试验，分析探讨了波速与强度的增长规律及波速参考范围。主要结论如下:

1)基桩高性能混凝土强度随龄期增长而增长，增长速率随龄期增长而变缓，其中0～14 d增长迅速，28 d以后强度增长幅度为3.6%～26.7%。

2)波速与强度之间存在较好的相关性;波速随龄期的增长而增长，但与强度增长规律相比，波速随龄期的增长速率较快，28 d以后波速基本稳定。

3)给出了高性能混凝土低应变与超声波波速参考范围，为工程基桩检测提供参考。

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