樁基測試技術(shù)應(yīng)用的探討

許加安

1 前言

靜載荷試驗是采用接近于豎向抗壓樁的實際工作條件的試驗方法，確定單樁的極限承載力，作為設(shè)計依據(jù)或?qū)こ虡兜某休d力進行抽檢和評價。

動力試樁是以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的動測方法，它在樁頂給樁作用一動態(tài)力，動態(tài)力可以是瞬態(tài)沖擊力或穩(wěn)態(tài)沖擊力，樁土系統(tǒng)對動態(tài)力作用的反映為動力響應(yīng)，用不同功能的傳感器可以在樁頂上量測到不同的動力響應(yīng)信號（如速度、加速度、位移信號）。通過對信號的分析，可以判斷樁身結(jié)構(gòu)完整性和對單樁承載力作出評價或?qū)Υ驑哆^程進行監(jiān)控。根據(jù)作用在樁頂上動荷載能量是否使樁土之間發(fā)生一定塑性位移或彈性位移，而把動力試樁分為高、低應(yīng)變兩種方法。

2 靜載荷試驗方法及問題

靜載荷試驗是獲得樁的軸向抗壓、抗拔以及橫向承載力的最根本方法，其結(jié)果準確度高，但傳統(tǒng)靜載荷試驗存在主要問題是對堆載法必須解決幾百噸甚至上千噸的荷載堆放及運輸問題，錨樁法必須設(shè)置多根錨樁及反力大梁。所以靜載費用昂貴，周期長，試驗數(shù)量少。且單樁承載力越高，試樁越困難。

80年代中期在美國開展并逐漸流行的自平衡法是一種較省時、省力、安全的現(xiàn)場載荷試驗方法，試驗時將載荷箱預(yù)先埋入樁底，對樁進行加載時利用樁的側(cè)阻和樁身重量之和與端阻互為反力測出樁的側(cè)阻力與端阻力。具有裝置簡單、不占用場地、不需大噸位堆料、可多根試樁同時進行的優(yōu)點，試驗費用省且試驗后試樁灌漿后仍可作為工程樁使用。在大噸位試樁、坡場試樁、狹窄場地試樁、斜樁試樁時具有突出的優(yōu)越性。但自平衡法較難模擬出傳統(tǒng)的荷載—沉降曲線，端阻與側(cè)阻能否同時達到極限在試樁時亦是一個問題，因此，自平衡理論仍有許多待研究之處。

3 低應(yīng)變動測方法及問題

低應(yīng)變動測主要包括反射波法、機械阻抗法、水電效應(yīng)法和動力參數(shù)法等，其中反射波法被公認為力學(xué)概念明確、對樁身缺陷判斷直觀性強。試驗時在樁頂用力錘或力棒施加一瞬時激勵，量測樁頂響應(yīng)后，分析樁身混凝土強度和缺陷位置，并定性判別缺陷性質(zhì)（如擴頸、縮頸、離析、斷樁等）。其作用能量小，只能使樁土產(chǎn)生彈性變形，一般情況下產(chǎn)生10-5級次的變形。

低應(yīng)變反射波法解決問題的能力表現(xiàn)在能較好地進行樁基完整性檢測，可以較準確地判別自樁頂向下第一個較嚴重的缺陷。但由于反射波法測試的效果與系統(tǒng)的軟硬件精度、激振技術(shù)、傳感器安裝技術(shù)、測試人員的技術(shù)水平密切相關(guān)，測試時需從以下方面加以注意：

3.1 傳感器安裝和激振點的選擇

根據(jù)波動理論計算及多個工程現(xiàn)場采集波形對比發(fā)現(xiàn)，對于大直徑樁，傳感器安裝在距中心2/3 倍半徑處，在樁中心敲擊時量測波形是最理想的，同時應(yīng)用尼龍頭或加大錘墊厚度增大敲擊力脈沖寬度，以減小高頻信號影響。

對于一般直徑的樁，敲擊點在樁中心附近，傳感器位置距樁中心（2/3～3/4）R 范圍內(nèi)。測試短樁或了解淺部缺陷時，宜采用小鐵錘或鐵錘墊橡皮，以提高激振頻率和分辯率，由于淺部缺陷反射時的應(yīng)力波大小受敲擊點及傳感器安裝點的影響更大，因此宜選擇多個安裝面和敲擊點。

3.2 激振技術(shù)的把握

反射波法檢測樁身完整性時，首先應(yīng)進行樁頭處理，鑿去浮漿層至新鮮混凝土，樁頂有積泥、積水時必須清除，保證樁頂平整，激振時注意以下幾個方面：

（1）敲擊力要集中、鉛直，激振模式要單一。

（2）激勵能量要適當，激勵能量以能看到樁底反射的前提下盡量小，使樁周參加振動的土體盡量少，以減少對波形的干擾。土越好，樁越長，用大錘敲擊效果更好；土越差，樁越短，用小錘敲擊效果更好。

（3）敲擊脈沖頻帶要適中，滿足下式：

τ≥5D/C

式中：τ-脈沖力頻率；D-樁徑；C-應(yīng)力波波速。

大量實測統(tǒng)計，脈沖力寬度，樁長10～20m，τ 約為0.7～2.0ms；樁長20～30m，τ 約為2.0～3.0ms；樁長大于30m 的樁，τ 約為3.0～4.0ms。

3.3 測試盲區(qū)

實測及研究表明，距樁頂1～1.5D（D 樁徑）范圍內(nèi)的樁身缺陷，用反射波法不易查明，稱為測試盲區(qū)。

對于樁長大于60m 的特長樁，低應(yīng)變法已難于檢測，可該用高應(yīng)變檢測或進行抽芯。

總之，低應(yīng)變動測具有方便快捷、費用低、抽樣率高的特點，但低應(yīng)變檢測基本上不能對截面的變化程度作出定量的評定而只能作出定性的判斷，定位的誤差亦在15%左右。檢測時實際只能做到的只是從大批試樁中鑒別出肯定合格的基本完整樁和肯定不合格的嚴重缺陷樁，對于許多只有中等程度缺陷的樁，實際難于對其合格性作出評價，只有在增加抽檢數(shù)量的條件下應(yīng)用于樁基工程驗收。所以從事低應(yīng)變動測的技術(shù)人員必須具備巖土、設(shè)計、施工、振動理論、計算機技術(shù)、測試技術(shù)等多方面的知識，以便根據(jù)條件對樁基完整性作出較為準確的分析。

4 高應(yīng)變動測方法及問題

高應(yīng)變方法與低應(yīng)變方法的根本區(qū)別是前者適當考慮了樁周土的彈塑性影響。高應(yīng)變作用在樁上能量大，動荷載使樁產(chǎn)生貫入度，從而使樁、土之間產(chǎn)生塑性位移，通過在樁頂量測到的信號，分析樁的承載力。高應(yīng)變試樁的應(yīng)變量約10-3級次。

現(xiàn)場實測信號是承載力擬合的基礎(chǔ)，實測信號的質(zhì)量很大程度上決定著測試的精度。測試時，樁頭的處理、錘重和落高、錘墊的選擇、傳感器的安裝等因素，都將影響信號的質(zhì)量。

4.1 錘擊設(shè)備及錘重和落高的選擇

對于預(yù)制樁，可以用打樁機作為錘擊設(shè)備，對于灌注樁，須有專門的自由落錘設(shè)備，包括錘體、導(dǎo)向架和脫鉤器，可采用整體錘或組合錘，錘的高寬比宜為2：1 或1.5：1。

錘重一般為單樁極限承載力的1%，落高一般為1.0～2.0m，最好是重錘低打。一般使貫入度不小于2.5mm，但也不要大于10mm，貫入度過小，土強度發(fā)揮不充分，貫入度太大，不滿足波動理論，實測波形失真。對于嵌巖樁，注意不能把嵌固段打動，否則嵌固力不能恢復(fù)，會大大降低樁的承載力。

4.2 樁頭處理

樁頂要平整，測試前應(yīng)將浮漿鑿掉，用標號較高的混凝土加固樁頭，樁頭加配2～3 層鋼筋網(wǎng)片并加密箍筋。新接樁段注意連接面用水沖洗干凈后方可澆混凝土，高度應(yīng)為2～2.5 倍的樁徑，便于傳感器安裝在新接段上。

4.3 錘墊選擇

錘墊是影響實測波形的重要因素，錘墊過軟，會降低錘擊能量的傳遞，使貫入困難；過硬，錘擊力峰值過高，易擊碎樁頂。工程中可采用膠合板、薄木版、不墊或紙箱殼，并根據(jù)第一錘波形加以調(diào)整。

4.4 傳感器的安裝

傳感器的安裝是測試波形好壞的關(guān)鍵，其安裝面應(yīng)用砂輪磨平，否則安裝后會有過大的初始電壓，導(dǎo)致傳感器損壞。安裝點距樁頭一般為1.5～2.0D，安裝在混凝土質(zhì)量好的部位，如安裝在差的部位，錘擊過程中應(yīng)變偏大，會使實測力偏大，高估單樁承載力。

高應(yīng)變測承載力時實實在在激發(fā)了樁周土的阻力，但高應(yīng)變方法也存在一些問題，用高應(yīng)變方法去準確測定單樁承載力是較為復(fù)雜的問題。①錘擊過程中樁身所激發(fā)的樁側(cè)土阻力與靜載條件下的阻力有著本質(zhì)的區(qū)別，在外力沖擊下，樁體的動力特性是靜力運動、剛體運動、應(yīng)力波傳播的疊加反映，而靜承載力本身機理又是一個復(fù)雜的問題。②樁基測試中還發(fā)現(xiàn)樁超過一臨界深度后，樁端土阻力和單位面積樁側(cè)土阻力基本保持為常數(shù)，這些復(fù)雜的機理問題，用簡單的應(yīng)力波理論模型去模擬是很困難的。

高應(yīng)變動測中需認識的幾個方面是：①波速的選取問題。由于混凝土是非均質(zhì)體，應(yīng)力波在混凝土中傳播存在頻散現(xiàn)象，故不同測試方法在同一根樁上可能測到不同的波速，而通過分析樁反射波計算的平均波速往往不一定等于安裝傳感器處混凝土的波速，波速不準帶來的誤差對承載力計算結(jié)果的可靠性有較大影響；②CASE 阻尼系數(shù)Jc 的取值及曲線擬合處理的不確定性對測試結(jié)果的影響；③高應(yīng)變對以下承載力的評定是無能為力的，樁身結(jié)構(gòu)破壞的樁、樁的負摩阻力問題、時間效應(yīng)問題、土的蠕變特性、砂土液化、樁的沉降問題。

5 結(jié)論

靜載荷試驗和樁的高應(yīng)變、低應(yīng)變是樁基檢測工作中的常用方法。在具備高應(yīng)變動測的理論及豐富的實踐經(jīng)驗的情況下，高應(yīng)變所測結(jié)果與靜載荷試驗有較好的一致性。高、低應(yīng)變動測和靜載試驗具有一定的互補性，它們各有長短，不能互相取代。通過樁基測試的實踐與研究，得出如下結(jié)論：

（1）具備條件的情況下，確定極限承載力應(yīng)首先選擇靜載荷試驗方法，設(shè)計性試樁務(wù)必用靜載荷的慢速維持荷載法。

（2）高應(yīng)變動測適合于對打樁進行監(jiān)控和對有靜載荷試驗結(jié)果作對比的工程樁的承載力進行檢測。

（3）低應(yīng)變動測適用于工程樁的完整性普查。

（4）樁的靜力、動力測試，一定要有訓(xùn)練有素的工程師負責完成。

[1]劉興錄.樁基工程與動測技術(shù)200 問[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]陳如桂.樁基工程動測技術(shù)的若干問題[A].樁基工程動測技術(shù)與方法.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.