既有結(jié)構(gòu)下基樁完整性檢測的樁側(cè)激振接收法

高飛

（1.上海中九工程檢測有限公司，上海 200437；2.中國船舶工業(yè)第九設(shè)計研究院，上海 200063）

0 引言

國內(nèi)眾多建成時間較早的橋梁、碼頭等已逐漸邁向劣化階段。同時，地震、臺風(fēng)、海水侵蝕等自然因素及交通運(yùn)輸工具的超載、交通流量的增加、盜采砂石所造成的非天然沖刷、船舶或漂浮物等的碰撞等，都會對樁基礎(chǔ)造成損傷。另一方面，碼頭的使用功能改變或靠泊等級提高，橋梁的維修加固，房屋建筑或工業(yè)廠房的增層改造，建造過程中承臺發(fā)生位移等諸多情況都需要對樁基礎(chǔ)的現(xiàn)狀作出評價。理論上講，樁基礎(chǔ)的現(xiàn)狀檢測應(yīng)包括基樁的完整性、變形與承載能力、耐久性等。但是除非樁基礎(chǔ)發(fā)生明顯的變形與位移、基礎(chǔ)沖刷等，否則一般只進(jìn)行基樁的完整性檢測。

反射波法經(jīng)濟(jì)、快捷、方便，是基樁完整性檢測最為常用的手段。眾所周知，常規(guī)的反射波法是在樁頂激振、在樁頂接收信號，但是對于既有結(jié)構(gòu)基樁樁頂嵌固在樁帽或橫梁、承臺的情況顯然已經(jīng)不再適用。

目前，除了JTJ249—2001《港口工程樁基動力檢測規(guī)程》以外，包括JGJ 106—2003《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》、JTG/T F81-01—2004《公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程》、TB 10218—2008《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》在內(nèi)的諸多規(guī)范都沒有提及樁頂嵌固時完整性檢測方法。JTJ 249—2001《港口工程樁基動力檢測規(guī)程》規(guī)定：上部有承臺的樁的檢測，可采用樁側(cè)豎向激振或承臺面樁內(nèi)范圍重錘豎向激振，并采用樁側(cè)安裝加速度傳感器接收信號的方法進(jìn)行[1]。但是內(nèi)容略顯粗淺，沒有明確具體的實(shí)施細(xì)節(jié)，對于指導(dǎo)工程實(shí)踐仍不充分。

采用承臺面樁頂范圍內(nèi)激振，由于基樁上部存在樁帽、橫梁及面板等上部結(jié)構(gòu)，往往會導(dǎo)致應(yīng)力波衰減太快而無法采集到正常反應(yīng)樁身完整性質(zhì)量的反射彈性波信號，因此一般采用樁側(cè)豎向激振及樁側(cè)安裝加速度傳感器接收信號的辦法進(jìn)行。

作者結(jié)合自己多年的研究和實(shí)踐成果，詳細(xì)介紹了樁側(cè)激振接收法的基本原理、現(xiàn)場檢測、信號分析等內(nèi)容，可以為相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考。

1 基本理論

所謂樁側(cè)激振接收法，就是采用低能量瞬態(tài)激振方式在樁身側(cè)面激振，實(shí)測樁身側(cè)面的速度時程曲線，通過波動理論分析，對樁身完整性進(jìn)行判定的檢測方法。 其理論基礎(chǔ)為一維彈性應(yīng)力波理論，但是激振方式與傳統(tǒng)的反射波法不同，是在樁側(cè)豎向激振，同時，傳感器不是安裝在樁頂面，而是安裝在樁身側(cè)面。樁側(cè)激振接收法與傳統(tǒng)反射波法之比較如圖1所示。

圖1 樁側(cè)激振接收法與傳統(tǒng)反射波法之比較

通過在樁側(cè)施加一縱向沖擊力，使樁身產(chǎn)生應(yīng)變，并以波動的形式傳播，遇到樁身阻抗差異界面后，產(chǎn)生反射信號，為安裝在激振源附近的傳感器所接收、記錄。根據(jù)現(xiàn)場采集的時域曲線進(jìn)行時域和頻域分析，以此判定樁的完整性。

與傳統(tǒng)的反射波法不同的是，激振時除了產(chǎn)生下行壓縮波外，同時還產(chǎn)生上行拉伸波。上行拉伸波遇到上部結(jié)構(gòu)會發(fā)生發(fā)射，反射回來的信號又被傳感器所接收，干擾對信號的識別。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 檢測要求

對于碼頭工程的高樁承臺，一般選擇合適的潮位乘坐工作船進(jìn)入碼頭下方；對于民用建筑、橋墩（或橋臺）承臺下基樁，樁頂側(cè)面應(yīng)裸露，否則應(yīng)局部開挖。

2.2 激振方式

側(cè)敲側(cè)收法的激振方式，規(guī)范并沒有明確。目前常用的5種做法：

方法一是在承臺（或樁帽、橫梁）與基樁連接節(jié)點(diǎn)以下約1.0 m的樁身側(cè)面切兩槽作為激振點(diǎn)（見圖2），但該法現(xiàn)場工作量大，難度高，耗時長，對基樁有較大損傷。同時，該法激振力方向與樁軸線方向不平行，會產(chǎn)生附加的橫向振動。

方法二是斜向鉆孔，直接在樁頂下約0.5～1.0 m左右處植入與樁身剛度匹配的膨脹螺栓，要求膨脹螺栓為斜向安裝，與樁身之間具有良好的耦合性。通過手錘敲擊該膨脹螺栓來產(chǎn)生激振力。該方法對基樁基本沒有損傷，但該法激振力方向同樣與樁軸線方向不平行，會產(chǎn)生附加的橫向振動。為了盡量減小橫向振動的干擾，斜向鉆孔與樁身縱向的夾角應(yīng)小于20°。

圖2 樁側(cè)切槽做法示意圖

方法三是荷蘭TNO基樁診斷系統(tǒng)（TNO Foundation Pile Diagnostic System）推薦方法，采用樁側(cè)水平向鉆孔方法，用螺栓將一鋼質(zhì)塊體（8 cm×8 cm×2 cm）緊緊地固定在樁身側(cè)面，該法基本上不會產(chǎn)生橫向振動，見圖3。

圖3 荷蘭TNO公司推薦做法

方法四是美國PDI公司（Pile Dynamic Inc）推薦方法，采用樁側(cè)水平向鉆孔方法，用螺栓將錘擊塊緊緊地固定在樁身側(cè)面，見圖4。

圖4 美國PDI公司推薦做法

方法五是東南大學(xué)苗永紅等提出，該方法是在樁側(cè)粘貼一半球形混凝土小楔塊，要求小楔塊強(qiáng)度盡量與樁身強(qiáng)度相同，以保證同種介質(zhì)之間較好地傳遞能量[2]。

理論上講，為了能夠產(chǎn)生均勻的應(yīng)力波向下傳播，宜使用分布力，即以摩擦力的形式向下均勻地作用在基樁側(cè)面。但經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，兩者效果并無多大區(qū)別。

2.3 傳感器安裝

側(cè)敲側(cè)收法的傳感器安裝方式，規(guī)范并沒有明確。目前常用的3種方法：

方法一是在承臺（或樁帽、橫梁）與基樁連接節(jié)點(diǎn)以下約1.0 m的樁身側(cè)面切槽，用來安裝傳感器，但該法現(xiàn)場工作量大，難度高，耗時長，對基樁有較大損傷。

方法二是采用專門生產(chǎn)的類似高應(yīng)變檢測用速度傳感器，在樁身側(cè)面用沖擊鉆打孔，用螺絲將傳感器固定在樁身側(cè)面。

方法三是采用高黏結(jié)強(qiáng)度的耦合劑。在安裝傳感器之前，應(yīng)使用砂紙、便攜式砂輪機(jī)等輕輕打磨樁側(cè)，除去污泥、污垢等雜物，用耦合劑將傳感器固定在干燥、平整的樁側(cè)混凝土表面。

2.4 不同方法對比

結(jié)合眾多實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，以及與業(yè)內(nèi)兄弟單位的比對試驗(yàn)，激振方式采用方法二、傳感器安裝采用方法三的組合可能是最優(yōu)方法。原因分析如下：

采用敲擊膨脹螺栓的方法進(jìn)行激振，與在樁身側(cè)面切槽相比，可以獲得較大的激振能量。當(dāng)采用切槽的方法時，為了避免產(chǎn)生明顯損傷，切槽面不宜過大，造成手錘敲擊時的作業(yè)面小，很難獲得較大的激振能量。當(dāng)采用敲擊膨脹螺栓的方法進(jìn)行激振時，作業(yè)面大，可以獲取較大的激振能量。在預(yù)估樁身缺陷較深時，甚至可以用普通的低應(yīng)變手錘作為“錘墊”，再用重錘進(jìn)行敲擊。同時，采用敲擊膨脹螺栓的方法進(jìn)行激振，膨脹螺栓與樁身混凝土屬于“直接耦合”，敲擊時通過膨脹螺栓直接把能量傳遞至樁身混凝土。TNO推薦方法敲擊的是鋼質(zhì)塊體，要求在水平向鉆一孔，屬于“單點(diǎn)安裝”；PDI推薦方法敲擊的是錘擊塊，要求在水平向鉆兩孔，屬于“兩點(diǎn)安裝”?？梢?，無論是TNO推薦方法亦或PDI推薦方法，都不是把敲擊能量直接傳遞至樁身，無形中帶來了附加干擾。當(dāng)激振能量稍大時，東南大學(xué)方法中混凝土塊與樁身混凝土兩者之間的黏結(jié)強(qiáng)度很難滿足要求。

至于傳感器的安裝方式，采用方法一會對樁身造成損傷，同時切槽位置一旦確定，很難變換傳感器的安裝位置；當(dāng)采用方法二類似高應(yīng)變的方法，很難保證傳感器的安裝質(zhì)量，同時膨脹螺桿、緊固螺栓等會帶來附加干擾。

3 信號分析

顯而易見，與傳統(tǒng)的反射波法相比，在樁側(cè)激振與接收時應(yīng)力波的傳播較為復(fù)雜，造成信號分析與解釋的困難。

當(dāng)基樁與既有上部結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)密實(shí)時，鑒于上部結(jié)構(gòu)的整體剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一根基樁的剛度，可以理想化地將基樁上方與承臺（或橫梁、樁帽）連接處視作一固定端。上行拉伸波傳播至承臺（或橫梁、樁帽）底部，反射為下行拉伸波后再傳到傳感器[3]。

當(dāng)基樁與既有上部結(jié)構(gòu)的連接結(jié)點(diǎn)完全損壞，比如遭受嚴(yán)重的撞擊，則可以理想化地將基樁上方與承臺（或橫梁、樁帽）連接處視作一自由端。上行拉伸波傳播至承臺（或橫梁、樁帽）底部，反射為下行壓力波后再傳到傳感器。

當(dāng)基樁與既有上部結(jié)構(gòu)的連接結(jié)點(diǎn)松動，情況比較復(fù)雜，不能再簡單地將基樁上方與承臺（或橫梁、樁帽）連接處視作一自由端或固定端，應(yīng)視具體情況而定。

所幸的是，鑒于傳感器安裝點(diǎn)距離樁頂一般比較近，所以干擾信號只會影響樁身淺部缺陷的識別，而樁身淺部缺陷一般可以通過目視等直接方法檢測。

側(cè)向激振很難避免產(chǎn)生橫向振動，接收信號的前端還摻雜了橫向效應(yīng)的干擾。一方面要求盡量減小激振力的水平分量，另一方面要求選擇合適的傳感器屏蔽橫向信號。

4 工程實(shí)例

上海吳涇某造船碼頭位于黃浦江西側(cè)，徐浦大橋上游，建成于1987年，欲改造成親水景觀平臺。采用樁側(cè)激振接收法對該碼頭90根基樁進(jìn)行完整性檢測，抽檢比例約50%。動測儀為荷蘭TNO基樁診斷系統(tǒng)，傳感器為該系統(tǒng)配套的加速度計。通過比對試驗(yàn)，采用手錘敲擊膨脹螺栓的方法來產(chǎn)生激振力，采用進(jìn)口橡皮泥作為耦合劑。檢測時加速度傳感器接收點(diǎn)距離樁頂約0.5 m。

4-D受檢基樁，樁型為預(yù)制方樁，截面500 mm×500 mm，樁長27.5 m。圖5為該樁的反射波實(shí)測曲線，可見樁頂下約7.5 m處樁身存在明顯缺陷，判定為Ⅲ類樁。

圖5 4-D受檢基樁實(shí)測曲線

5 結(jié)語

傳統(tǒng)反射波法的激振接收方式對于既有結(jié)構(gòu)下基樁的完整性檢測不再適用。本文建議的采用敲擊膨脹螺栓在樁側(cè)進(jìn)行激振，將傳感器用耦合劑固定在樁側(cè)面的檢測方法，可以較好地進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)下基樁的完整性檢測。

[1] JTJ 249—2001，港口工程樁基動力檢測規(guī)程[S].

[2] 苗永紅，劉松玉，顧建祖.側(cè)向激振下樁身完整性試驗(yàn)新方法探討[J].世界地震工程，2009，25（4）：141-144.

[3]陳建榮，高飛.現(xiàn)代樁基工程試驗(yàn)與檢測——新技術(shù)·新方法·新設(shè)備[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2011.