高低應變檢測在港口工程樁基中的綜合應用

■馬慧青，郭 偉，吳年祥 ■上海港灣工程質量檢測有限公司，上海 201315

江浙地區(qū)的碼頭常采用高樁碼頭，而其核心是樁基礎。樁基常采用預制混凝土樁和鋼管樁，預制混凝土樁在沉樁過程中經常出現樁身完整性缺陷。

目前規(guī)范［1］中常用的檢測方法有高應變檢測和低應變檢測。對于易出現完整性缺陷的混凝土預制樁，可以在沉樁過程中進行高應變檢測，沉樁完成后可以用低應變檢測進行校核。兩種方法綜合分析，對基樁完整性的判定會更加的合理。

1 高應變檢測完整性

高應變法基本原理是應力波在樁身中的傳播滿足一維波動理論。在樁頂作用一瞬態(tài)的豎向作用力，使樁身產生一明顯的加速度和土阻力效應，由此產生的慣性力對樁身的應力和變形產生顯著影響。通過在樁頂附近截面安裝力和加速度傳感器，量測出樁土體系在動荷載作用下的動力響應，這些響應信號包含著豐富的樁身阻抗和土阻力變化信息，用波動力學理論分析研究應力波沿樁土體系的傳遞與反射現象，從而可以判斷出樁身完整性和單樁極限承載力［2］。

高應變動測樁身結構完整性是用完整性系數β表

示。β定義為下上兩個截面的波阻抗Z2、Z1之比。計算公式見式(1)［1］：

式中：β——樁身完整性系數;

F(t1)、F(t2)——t1、t2時刻測點處實測的錘擊力(kN);

V(t1)、V(t2)——t1、t2時刻測點處實測的速度(m/s);

tx——缺陷反射峰所對應的時刻(ms);

F(tx)、V(tx)——缺陷反射峰對應時刻測點處實測的力(kN)、速度(m/s);

△R——缺陷以上部位土阻力的估計值，等于缺陷反射七點的錘擊力減去速度與樁身截面力學阻抗的乘積;

Z——缺樁身截面力學阻抗(kN·s/m)。

樁身缺陷斷面位置可按式(2)計算：

式中X——計算點與測點間的距離(m);

C——樁身應力波波速(m/s);

tx——缺陷反射峰所對應的時刻(ms);

t1——速度第一峰所對應的時刻(ms)。

樁身完整性評價標準［1］。

β =1．0：完整樁;

0．8≤β ＜1．0：基本完整樁;

0．6≤β ＜0．8：明顯缺陷樁;

β ＜0．6：嚴重缺陷樁或斷樁。

2 低應變檢測完整性

低應變動力測樁的基本原理是采用動力激振使樁引起彈性振動。低應變反射波法應用最廣，反射波法是建立在波動理論基礎上，將樁假設為一維彈性連續(xù)桿，在樁頂部進行豎向激振產生彈性波，彈性波沿著樁身向下傳播，當樁身存在明顯差異的界面(如樁底、斷樁和嚴重離析等)或樁身截面積變化(如縮徑或擴徑)部位，波阻抗將發(fā)生變化，產生反射波，經接受放大、濾波和數據處理，可以識別來自樁身不同部位的反射信息。利用波在樁體內傳播時縱波波速、樁長與反射時間之間的對應關系，通過對反射信息的分析計算，判斷樁身混凝土的完整性及根據平均波速校核樁的實際長度，判定樁身缺陷程度及位置［3］。

樁身缺陷位置斷面可按式(3)計算：

式中X——計算點與測點間的距離(m);

Cm——同一場地內多根已測合格樁樁身的應力波平均波速(m/s);

tx——缺陷部位反射波到達時間(ms)，可由時域波形圖上讀取。

樁身完整性評價標準［2］。

Ⅰ：檢測波形無異常反射、波速正常，樁身完好，屬完整樁;

Ⅱ：檢測波形有小畸變，波速基本正常、樁身有輕微缺陷、對樁的使用沒有影響，屬基本完整樁;

Ⅲ：檢測波形出現異常反射、波速偏低、樁身有明顯缺陷、對樁的使用有一定影響，屬明顯缺陷樁;

Ⅳ：檢測波形嚴重畸變、樁身有嚴重缺陷或斷樁，屬嚴重缺陷樁或斷樁。

3 工程概況

3．1 工程基本資料

本碼頭工程采用高樁梁板式結構，碼頭樁基選用Φ1200mm的預應力混凝土大管樁，引橋除在大堤處采用Φ1200mm鉆孔灌注樁外，其余采用Φ1000mmPHC管樁。

由于本場地上部為淤泥及軟塑粘土，深層分布有⑤1-1層粗砂，⑤2和⑥層均為粘土，PHC管樁施工過程中須穿越⑤1-1層粗砂。

3．2 沉樁及測試設備

本次沉樁采用DELMAGD100柴油錘，油門Ⅱ～Ⅲ檔。高應變檢測采用PAK型打樁分析儀系統，低應變檢測采用PIT樁身完整性檢測儀。

3．3 檢測樁參數

本次檢測的試驗樁樁號為3-F，Φ1000PHC樁，型號為AB型，壁厚為130mm，長度為56m;共兩節(jié)，每節(jié)長28m。

樁身混凝土強度為C80，軸心抗拉強度的標準值為3．11MPa，混凝土有效預壓應力為 6．00MPa［4］。

4 檢測結果

4．1 高應變檢測

3-F樁初打高應變實測曲線及CASE法分析結果見圖1。

本試驗PHC樁長56m，共兩節(jié)。由圖1計算得到，在樁頂以下28m處速度峰值在上，力的峰值在下，表明此處的阻抗減小，存在明顯缺陷。此處正好是兩個管節(jié)的接頭處。

由高應變計算得到的完整性系數β值為0．66，根據表1得到，此樁為明顯缺陷樁。

4．2 低應變檢測

3-F樁低應變實測波形曲線見圖2。

由圖2得到，在樁頂以下28m處，檢測波形出現異常反射，為同向起跳，樁身有明顯缺陷。

根據表2得到，此樁為Ⅲ類樁。

4．3 結果分析

高應變和低應變的波形均反映，在樁頂以下28m處，即上下管節(jié)接頭處存在明顯缺陷。

樁身抗壓強度標準值為50．2MPa，大于樁身實測最大壓應力;樁身有效預壓應力與軸心抗拉強度標準值之和為9．11MPa，小于樁身實測的最大拉應力12．2MPa。

在沉樁過程中，當樁尖穿過硬土層，進入軟土層時，在樁身會產生較大的拉應力。本場地⑤1-1層為粗砂，下部涂層為軟土層，結合本試驗樁的沉樁記錄分析，本次錘擊恰好穿過⑤1-1層。

綜合分析，3-F樁上下管節(jié)接頭處的缺陷，是由于沉樁過程中，樁身拉應力過大引起的。

圖1 3-F樁初打高應變實測曲線及CASE法分析結果

圖2 3-F樁低應變實測波形曲線

5 結語

(1)高應變和低應變檢測樁身缺陷的位置和樁身完整性狀況基本一致，可以采用兩種方法綜合判定同一根樁的完整性，尤其是對沉樁過程中出現異常情況的基樁。

(2)沉樁過程中，當穿過硬土層，進入軟土層時，樁身會出現較大的拉應力，容易引起樁身缺陷。應當采用較低的檔位來進行錘擊，以減小樁身的壓應力和拉應力。

［1］中華人民共和國行業(yè)標準．港口工程樁基動力檢測規(guī)程(JTJ249-2001)(S)．北京：人民交通出版社 2011，11．

［2］張維祥，楊立軍．高低應變動力測試技術在某住宅樓樁基檢測中的應用［J］．建筑技術開發(fā)，2007．34(3)．

［3］黎源興．基于低應變動測法的樁身完整性檢測波形分析—以深圳地區(qū)為例［J］．技術與市場，2013(9)．

［4］中國建筑標準設計研究院．預應力混凝土管樁［S］．2003．