高應變法檢測樁身完整性的分析

張高其

摘 要：高應變檢測樁身完整性分析中，除按照樁身完整性系數(shù)判定類別外，如何結(jié)合實際經(jīng)驗來綜合判定成為重點，并且也是難點。文章結(jié)合一些工程實例來對高應變法檢測樁身完整性進行分析。重點分析多節(jié)預制樁接頭水平焊接縫的完整性與樁周土軟弱土層對樁身完整性的影響。

關(guān)鍵詞：高應變法；樁身完整性；樁周土層反應

引言

在前期基樁的動力檢測中，高應變法主要提供基樁的豎向抗壓承載力，樁身完整性檢測一般都作為附帶的功能，低應變才是樁身完整性判別的主要手段。然而在一些特殊情況下，如工程中采用超長樁、預制多節(jié)樁等工藝，高應變法檢測樁身完整性相對于低應變的優(yōu)點就突顯出來。隨著時代的發(fā)展，這些超長樁、預制多節(jié)樁在工程中使用得也越來越廣泛，在這些基礎(chǔ)面前，低應變檢測樁身完整性的方法就顯得有些力所不及。在這基礎(chǔ)之上，高應變檢測樁身完整性的這一作用得以體現(xiàn)，甚至部分地區(qū)將高應變檢測多節(jié)預制樁的樁身完整性列入了地區(qū)規(guī)程中。高應變檢測樁身完整性的分析應注意以下幾種情況：（1）一般樁身缺陷；（2）預制樁中的接頭水平焊接縫；（3）樁側(cè)土層反應的鑒別。

1 高應變法簡介

高應變法，是指所有能使樁土間產(chǎn)生永久變形（或較大動位移）的動力檢測基樁承載力的方法。常用的兩種高應變動力試樁方法為CASE法和CAPWAP法。現(xiàn)場在樁頂下一定距離對稱安裝一對加速度計和應變計，通過重錘沖擊樁頭，產(chǎn)生沿樁身向下傳播的應力波和一定的樁土位移，記錄沖擊波作用下的加速度和應變，傳輸至基樁動測儀并儲存下來。然后采用不同軟件分析計算得出基樁的承載力和質(zhì)量完整性系數(shù)。CASE法由于分析時主要影響承載力的因素就一個CASE系數(shù)，可現(xiàn)場提交結(jié)果，因此稱波動方程實時分析法；而擬合法因要進行大量擬合反演運算，只能編程計算，一般在室內(nèi)進行，常用此方法為基樁提供豎向抗壓承載力。

高應變完整性檢測分析過程中，只需要CASE法分析就能得出樁身完整性的判別。（圖1）

圖1 高應變動力測試現(xiàn)場示意圖

2 Case法檢測基本原理

2.1 基本模型

基樁模型：case法將樁視為一維均質(zhì)（等截面尤佳）連續(xù)的彈性體，基本上不考慮樁身缺陷影響，應變與質(zhì)點速度之間滿足協(xié)調(diào)方程。

樁周土動力模型：為排除動力試樁過程中土體的動力效應，case法假定土的動阻力全部集中于樁尖，且與樁尖速度和廣義波阻抗（Z=ρCA）成正比。

樁周土靜力模型：case法為確保波動方程解耦，得到半經(jīng)驗解析解，將樁側(cè)速度與動阻力分離，同時將樁身位移與靜阻力分離。假定土的靜力模型為理想剛塑性體，一旦擾動發(fā)生，阻力即達到極限值。顯然，這只能在樁土間超過一定變形時才適用。

2.2 計算方法與樁身完整性判定

（1）Case法承載力計算，文章略。

（2）樁身完整性系數(shù)β值計算

式中 β-樁身完整性系數(shù)；

t1-速度第一峰對應的時刻（ms）；

F（t1）-t1時刻的錘擊力（kN）；

V（t1）-t1時刻的質(zhì)點運動速度（m/s）；

Z-樁身截面力學阻抗（kN·s/m）；

tx-缺陷反射峰對應的時刻（ms）；

x-樁身缺陷至傳感器安裝點的距離（m）；

Rx-缺陷以上部位土阻力的估計值，等于缺陷反射波起始點的力與速度乘以樁身截面力學阻抗之差值，取值方法見圖2。

（3）樁身缺陷位置x計算

（4）樁身完整性類別判定

等截面樁的樁身完整性判定：根據(jù)樁身完整性系數(shù)β值大小并結(jié)合經(jīng)驗，將樁身完整性類別分為四類。Ⅰ類：β=1.0；Ⅱ類：0.8≤β<1.0；Ⅲ類：0.6≤β<0.8；Ⅳ類：β<0.6。

3 高應變檢測樁身完整性分析

3.1 一般樁身缺陷

正常情況下，高應變在檢測樁身完整性的過程中，樁身缺陷的判定根據(jù)樁身完整性系數(shù)β值的大小來定量描述，并判定樁身完整性類別。完整性類別的判定與基本原理中描述的一致。唯一值得注意的是軟件分析過程中β值的計算值，由于采集曲線信號時外界干擾的因素，曲線樁頂?shù)?L/C時段反應樁身明顯沒有缺陷，但因樁頂前或2L/C時段后的曲線計算出β計算值并不為1.0，而是稍微小于1.0，如0.99、0.98，應結(jié)合曲線上沒有缺陷反應判定為I類。

在樁頂?shù)?L/C時段，除依據(jù)β值外，需要根據(jù)現(xiàn)場實際的情況來綜合判斷，究竟需要綜合哪些要素呢？主要分為兩類需要值得關(guān)注：一類是樁身結(jié)構(gòu)自身的局限性，如預制樁中有焊接接縫；另一類是樁周土的影響，特別是存在明顯的軟弱夾層時所產(chǎn)生的假缺陷反射法。

3.2 預制樁中焊接接縫樁身完整性的分析

預制樁在施工過程中，由于焊接、錘擊施工等因素，可能造成接頭之間形成水平縫，可以通過多次的連續(xù)采樣，來判斷水平縫的發(fā)展情況。

（1）有明顯施工焊縫反射波，樁身基本完整的情況

由于焊接原因造成的接頭之間的施工焊縫，在樁身周圍焊接牢固，在多次的錘擊情況下，β值基本會維持在一個小范圍內(nèi)波動。速度力曲線和應力曲線相交的范圍維持在一個特定的范圍內(nèi)，力和速度曲線可以向下傳遞。這種情況下樁身完整性如果依然按照β值的大小來判定，顯然是不準確的。在能清晰看到樁底反射情況下，可認為對樁身承載力無影響，存在樁身接頭缺陷，樁身基本完整。

如×××錄安洲港區(qū)4號泊位的D-16#樁，型號為PHC-1000（130）-C80，樁長45米，打樁船為浙普工51型，錘型D138。由于沉樁過程中地質(zhì)條件與勘探成果相差較大，無法沉樁到設(shè)計標高，故采用高應變法檢測基樁豎向承載力。此樁共采集信號35錘，從圖3中可以看出樁身傳感器以下樁長19.5米位置第2擊的β值為0.52，第10擊β值為0.53，第20擊β值為0.53，第35擊β值為0.54。從錘開始到收錘結(jié)束，β值均是在0.52～0.54之間小幅度的波動，樁底承載力從曲線分離程度看也不小。因此認為此缺陷為預制樁焊接接頭缺陷，且對樁身承載力無影響，可認為樁身基本完整。

（2）有明顯施工焊縫，樁身結(jié)構(gòu)已破壞

另一種施工過程中，預制樁樁身出現(xiàn)水平裂縫或接頭脫落，也是通過多次錘擊來判斷，這時候β值會在連續(xù)的錘擊過程中不斷減小，速度力曲線和應力曲線相交的范圍逐漸增大，甚至達到速度曲線尾端向上，這樣情況說明樁身結(jié)構(gòu)已受到破壞，可根據(jù)β值并參考有無樁底反射，判定樁身完整性類別。

如×××蕪湖海螺水泥有限公司專用碼頭14-C#樁，型號為600×600預制方樁，樁長41米，打樁船柴油錘型D100。該樁因沉樁到位會貫入度突然增大，故采用高應變法檢測基樁豎向承載力及樁身完整性。此樁共采集信號12錘，從圖4中可以看出樁身傳感器以下樁長31米位置第1擊β值為0.59，第2擊β值為0.45，第8擊β值為0.41，第12擊β值為0.37。從總共12擊的錘擊情況可以得出，β值從0.59下降到0.37，最后幾擊速度力（ZV（t））曲線基本上都上揚到應力F（t）曲線之上，樁底也無法分辨有無承載力。因此說明樁已嚴重破損。嚴重影響樁身承載力的發(fā)揮，按β值最后0.37判Ⅳ類樁，所出具基樁豎向極限承載力僅供參考。

3.3 樁周土層存在軟弱夾層時樁身完整性分析

在高應變檢測樁身完整性的分析過程中，還可能存在一種樁周軟弱土層，尤其是上下土層土性差異明顯，分界線明顯的情況下，如風化巖層上的軟流塑狀態(tài)粘土或粉質(zhì)粘土，會形成速度波上拉，應力波下拉的假樁身缺陷反射，嚴重影響對樁身完整性的判斷，這時候需要認真地閱讀地質(zhì)勘探報告，認真分析在樁身該位置有無軟弱夾層的可能。預制樁施工的時候，在可能存在軟弱夾層影響時，應對懷疑的基樁進行復打，等有足夠的土阻力恢復齡期后復測看是否缺陷指示程度有所變好，從而正確的對樁身完整性進行判別。

如×××鄭浦港一期工程，樁型為PHC-1000（130）-C80，樁長39米，打樁船采用D125柴油錘，兩根基樁施工參數(shù)及檢測情況如表1。

基樁所對應鉆孔地質(zhì)情況如圖5所示。

其中⑤層為中密粉砂夾薄層粉土，N=27擊；⑥層為沖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂、薄層，N=4，呈軟～流塑狀態(tài)，基樁所在位置層厚約1.80m；⑦層為密實粉砂，N=32～57擊，為樁端持力層。

兩根樁在沉樁當天測試過程中，由于錘擊對樁周土⑥層擾動破壞嚴重，導致高應變測試采集的信號中在樁身傳感器以下30.5米左右，即樁底以上5.5米左右，出現(xiàn)假樁身缺陷反射（如圖6）。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，此位置正處于第⑥層軟弱土層中，且該層上下土層力學性質(zhì)均非常好，形成樁周土性的突變。故懷疑此處的缺陷反射為樁周軟土的反映，等待樁周土有一定恢復時基樁復打進行驗證。

三天后基樁復打測試的結(jié)果表明，樁周土⑥層經(jīng)過振動破壞后土性重組，土阻力得到了較大的提高，再次錘擊測試所獲得的曲線上已無明顯的缺陷反射波，所測基樁的樁身完整。驗證了初打時的缺陷反射應為樁周軟弱土層的反射波，同時也說明樁周軟弱土層的反射波對樁身完整性判別有較大的干擾。在樁身完整性的分析過程中，當所測多根基樁在同一位置上有相同的缺陷反射波時，應對提供的地質(zhì)資料和施工記錄進行綜合的考慮，著重關(guān)注樁周土中是否有軟弱夾層等情況。

4 結(jié)束語

低應變法簡單快捷且易用廉價，在其能夠勝任的范圍內(nèi)優(yōu)先采用低應變法測試，因此高應變法檢測樁身完整性的應用范圍受到限制。正是因為這樣的限制，高應變法檢測樁身完整性的應用中，基樁的自身結(jié)構(gòu)都比較復雜，一般都是超長樁或多節(jié)預制樁，抑或是基樁樁身有不明缺陷需要用高應變法進行完整性或承載力校核。

高應變法分析樁身完整性具有其自身無可替代的優(yōu)點，由于其應用的場合一般都具有復雜性，因此對基樁完整性判定過程也相對困難。這就要求在高應變法分析樁身完整性的過程中，除了對樁身完整性系數(shù)和缺陷所反應的曲線形態(tài)熟練掌握外，還需要分析基樁自身結(jié)構(gòu)構(gòu)成、施工工藝及過程、基樁所對應位置的地層資料，正確識別出是否有樁周軟弱土層反應影響對樁身完整性的判斷，必要時采用多次錘擊看缺陷發(fā)展情況進一步確定樁身完整性。

參考文獻

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