高應(yīng)變法檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管樁接口探討

唐國(guó)英

（廣東省地震局， 廣州 510070）

0 前言

預(yù)應(yīng)力管樁具有樁身強(qiáng)度大、 抗裂性能好、 成樁質(zhì)量高、 穿透力較強(qiáng)、 施工速度快， 使用范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)， 它適用于一般黏性土及填土、 淤泥和淤泥質(zhì)土、 粉土、 非自重濕陷性黃土等土層[1]。 廣東沿海地區(qū)軟弱土層厚、 持力層埋藏較深， 因此該地區(qū)使用最廣泛的樁基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力管樁。

預(yù)應(yīng)力管樁的沉樁方法主要有靜壓法和錘擊法。 靜壓法沉樁是采用靜力壓樁機(jī)將預(yù)制樁壓入地基中的施工方法。 壓樁力屬靜力， 造成樁的穿透能力相對(duì)較小， 樁尖僅能到達(dá)N＝50（N 為修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)）的強(qiáng)風(fēng)化巖表面， 但施工質(zhì)量較穩(wěn)定。 錘擊法沉樁是用樁錘將樁擊打入地基中的施工方法。 打樁錘擊力屬?zèng)_擊動(dòng)力， 預(yù)應(yīng)力管樁較耐打， 在強(qiáng)力沖擊下具有較強(qiáng)的穿透能力。大量工程實(shí)踐表明， 使用D45 以上重型柴油錘可使其穿透5～6 m 厚的密實(shí)砂層或河卵石層， 樁尖進(jìn)入N≥50 的強(qiáng)風(fēng)化巖層1～2 m 或密實(shí)卵石層1～2 m。 由于是沖擊動(dòng)力緣由， 此方法也容易打破樁頭和打斷樁身， 特別是接口焊縫位置， 若施工不規(guī)范或處理不當(dāng)， 往往在沉樁過(guò)程中會(huì)松脫， 造成施工質(zhì)量不穩(wěn)定。 錘擊法沉樁會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生振動(dòng)、 噪音、 空氣污染等影響， 所以在城區(qū)內(nèi)或居民區(qū)附近只允許用靜壓法沉樁[2-4]。

由于錘擊法沉樁有它的優(yōu)點(diǎn)， 所以在遠(yuǎn)離城區(qū)地方都采用此種方法打樁。 本文僅對(duì)錘擊法的樁基礎(chǔ)在高應(yīng)變法檢測(cè)情況下作分析探討。

1 預(yù)應(yīng)力管樁的成樁情況

預(yù)應(yīng)力管樁常用樁徑有Ф300 mm、 Ф400 mm、Ф500 mm、 Ф600 mm， 設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí) 為C70~C80， 每一節(jié)樁配管長(zhǎng)度在4~15 m 之間， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇配管長(zhǎng)度[5]。 沉樁過(guò)程中經(jīng)常需要接樁， 因此接樁焊縫質(zhì)量馬虎往往成為樁身質(zhì)量的一大隱患。 按設(shè)計(jì)要求， 預(yù)應(yīng)力管樁采用焊接法接樁。 接樁時(shí)預(yù)埋法蘭盤表面應(yīng)清潔， 上下樁節(jié)間的縫隙應(yīng)用鐵墊片墊密焊牢， 焊接時(shí)應(yīng)采取措施對(duì)稱施焊， 以減少焊縫變形引起節(jié)點(diǎn)彎曲。 焊縫應(yīng)連續(xù)、 飽滿、 無(wú)空洞。 接口處的焊縫應(yīng)自然冷卻10～15 min， 對(duì)外露鐵件刷防腐漆后， 才可擊打沉入土中。 但實(shí)際沉樁施工過(guò)程中， 由于施工人員趕進(jìn)度， 有時(shí)不按規(guī)范要求施工， 加上監(jiān)督管理有時(shí)不到位。 現(xiàn)場(chǎng)施工人員往往把樁對(duì)接好后就急于焊接， 不太注意樁端板處是否有泥沙、 是否生銹、 是否焊縫飽滿， 更不會(huì)刷防腐漆。 焊接完一圈后， 稍微校對(duì)垂直度， 然后馬上拉錘擊打， 經(jīng)常忽略焊縫冷卻間歇問(wèn)題。 由于一根樁要擊打幾百上千錘， 若焊縫質(zhì)量不好， 或間歇時(shí)間不夠長(zhǎng)， 往往導(dǎo)致打下去的樁出現(xiàn)接口處松脫或斷開(kāi)情況。 對(duì)于此類樁的檢測(cè)， 高應(yīng)變法是最好的測(cè)試手段。 它既可以檢測(cè)樁的承載力， 也可以檢測(cè)樁身質(zhì)量完整性， 包括焊縫的焊接質(zhì)量情況。

2 高應(yīng)變法檢測(cè)的基本原理[6]

用重錘沖擊樁頂， 使樁土產(chǎn)生足夠的相對(duì)位移， 以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力， 通過(guò)安裝在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接收樁的應(yīng)力波信號(hào)， 應(yīng)用應(yīng)力波理論分析處理力和速度時(shí)程曲線， 從而判定樁的承載力和評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量完整性。 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備聯(lián)接情況見(jiàn)圖1。

圖1 高應(yīng)變法檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)接情況Fig.1 Field coupling during high strain dynamic testing equipment

假設(shè)樁為一維線彈性桿， 測(cè)點(diǎn)下樁長(zhǎng)為L(zhǎng)， 橫截面積為A， 樁材彈性模量為E， 樁材質(zhì)量密度為ρ，樁身內(nèi)應(yīng)力波傳播速度（俗稱彈性波速）為C（C2=E/ρ）， 廣義波阻抗或樁身截面力學(xué)阻抗為Z = AρC，式（1）、（2）為其樁身應(yīng)力σ、 應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系式。

假設(shè)土阻力R 是由靜阻力RS和動(dòng)阻力Rd兩部分組成：

推導(dǎo)可得樁的一維波動(dòng)方程：

分析方法采用Case 法和實(shí)測(cè)曲線擬合法。 設(shè)沖擊速度峰對(duì)應(yīng)時(shí)間為t1， t2=t1+2L/C 為樁底反射對(duì)應(yīng)時(shí)間， 根據(jù)實(shí)測(cè)的力、 速度曲線F（t）、 V（t）推導(dǎo)可得case 法判定樁的承載力的計(jì)算公式為：

對(duì)于等截面樁， 樁頂下第一個(gè)缺陷對(duì)應(yīng)的完整性系數(shù)β 由式（6）計(jì)算。

其中:

式（6）中， RX為缺陷點(diǎn)X 以上的樁周土阻力，缺陷位置可根據(jù)缺陷反射波的對(duì)應(yīng)時(shí)間tx由式（9）確定:

實(shí)測(cè)曲線擬合法采用了較復(fù)雜的樁－土力學(xué)模型， 選擇實(shí)測(cè)力或速度或上行波作為邊界條件進(jìn)行擬合， 擬合完成時(shí)計(jì)算曲線應(yīng)與實(shí)測(cè)曲線基本吻合， 樁側(cè)土摩阻力應(yīng)與地質(zhì)資料基本相符， 貫入度的計(jì)算值應(yīng)與實(shí)測(cè)值基本吻合， 從而獲得樁的豎向承載力和樁身質(zhì)量完整性。

3 工程實(shí)例

本工程為惠州某工地多層建筑， 工程基樁采用預(yù)應(yīng)力管樁， 樁徑為Ф500*125 mm， 承載力特征值為2 200 kN， 設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。地層分布由上至下為： 中砂、 粉質(zhì)黏土、 粗砂、砂質(zhì)黏性土、 全風(fēng)化花崗巖、 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、 中風(fēng)化花崗巖。 高應(yīng)變法檢測(cè)使用自由落錘作沖擊力， 錘重4 噸， 落錘高度在0.6~1.0 m 范圍。

某棟97#樁， 有效樁長(zhǎng)25 m（配管： 14+11），測(cè)點(diǎn)樁長(zhǎng)24.7 m。 正常情況下， 樁身完整， 焊縫基本完好的樁， 高應(yīng)變法檢測(cè)時(shí)擊打第一錘就能看出端倪。 圖2 為檢測(cè)時(shí)打的第一錘， 當(dāng)重錘擊打到樁頂時(shí)， 錘彈跳起來(lái)， 錘擊貫入度很小， 樁無(wú)明顯下沉。 力和速度曲線光滑完整。 擬合計(jì)算結(jié)果可以看出， 檢測(cè)承載力為4481 kN， 完整性系數(shù)β=1， 證明樁身完好， 承載力和完整性均滿足Ⅰ類樁要求， 如圖3 所示。 樁身完整性類別判定見(jiàn)表1。

圖2 97# 樁力、速度曲線Fig.2 Force, speed curve of 97 # pile

圖3 97# 樁擬合計(jì)算曲線Fig.3 Fitting calculation curve of 97# pile

表1 樁身完整性類別判定Table 1 Categories determine of the foundation pile integrity

如果樁身某位置發(fā)生斷裂， 則實(shí)測(cè)曲線在該位置處出現(xiàn)強(qiáng)烈反應(yīng)： 力曲線迅速回零、 速度曲線正向起跳。

某棟125#樁， 有效樁長(zhǎng)28 m（配管： 14+14），測(cè)點(diǎn)樁長(zhǎng)27.5 m， 檢測(cè)時(shí)13.5 m 處有缺陷， 缺陷位置正好在接口處。 圖4~8 為檢測(cè)時(shí)擊打的第一至第五錘。 當(dāng)打第一、 第二錘的時(shí)候， 錘擊貫入度比較大， 樁下沉量較大， 錘無(wú)彈跳， 聲音沉悶，速度曲線在接口位置突然起跳， 反應(yīng)強(qiáng)烈， 力曲線迅速回零。 當(dāng)打第三錘的時(shí)候， 錘擊貫入度已經(jīng)縮小， 速度曲線反應(yīng)沒(méi)那么強(qiáng)烈了。 當(dāng)打第四、第五錘的時(shí)候， 力和速度曲線已經(jīng)平緩很多， 此時(shí)錘擊貫入度已經(jīng)很小了， 樁無(wú)明顯下沉， 錘有彈跳。 選取第五錘采樣信號(hào)作擬合計(jì)算， 結(jié)果可以看出， 檢測(cè)承載力為4 848 kN， 完整性系數(shù)β=0.803， 完整性為Ⅱ類樁， 承載力和完整性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 如圖9 所示。

圖4 125# 樁第一錘力、速度曲線Fig.4 Force, speed curve of the first hammer of 125 # pile

圖5 125# 樁第二錘力、速度曲線Fig.5 Force, speed curve of the second hammer of 125 # pile

圖6 125# 樁第三錘力、速度曲線Fig.6 Force, speed curve of the third hammer of 125 # pile

圖7 125# 樁第四錘力、速度曲線Fig.7 Force, speed curve of the fourth hammer of 125 # pile

圖8 125# 樁第五錘力、速度曲線Fig.8 Force, speed curve of the fifth hammer of 125 # pile

圖9 125# 樁第五錘擬合計(jì)算曲線Fig.9 Fitting calculation curve of the fifth hammer of 125 # pile

某棟131#樁， 有效樁長(zhǎng)25 m（配管： 13+12），測(cè)點(diǎn)樁長(zhǎng)24.7 m， 檢測(cè)時(shí)11.7 m 處有缺陷， 缺陷位置正好在接口處。 圖10~11 為檢測(cè)時(shí)打的第一、第二錘。 兩錘的貫入度都比較大， 樁下沉量較大，錘無(wú)彈跳， 錘擊聲音沉悶， 力曲線在接口位置迅速回零， 速度曲線在接口位置突然起跳， 反應(yīng)強(qiáng)烈。 此時(shí)停止檢測(cè)， 要求施工單位復(fù)打這根樁，待觀察后再作判斷。

現(xiàn)場(chǎng)復(fù)打時(shí)， 樁的貫入度都不大， 總沉降量就在5 cm 左右。

復(fù)打后第三天檢測(cè)， 發(fā)現(xiàn)效果很好。 圖12~13為復(fù)測(cè)時(shí)的第一、 第二錘情況。 打第一錘時(shí)， 錘擊貫入度非常小， 力和速度曲線無(wú)明顯反應(yīng)。 打第二錘時(shí)也差不多， 樁無(wú)下沉跡象， 錘彈跳較強(qiáng)烈。 選取復(fù)打后第二錘采樣信號(hào)作擬合計(jì)算， 結(jié)果可以看出， 檢測(cè)承載力為4 452 kN， 完整性系數(shù)β=0.805， 完整性為Ⅱ類樁， 承載力和完整性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 如圖14 所示。

為什么會(huì)出現(xiàn)上述這種現(xiàn)象呢？ 作者認(rèn)為，在錘擊法沉樁過(guò)程中， 當(dāng)打樁錘擊打樁頂時(shí)， 應(yīng)力波從樁頂處迅速向下傳播， 形成一組組的壓縮和拉伸波作徑向運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)這個(gè)應(yīng)力大于樁身某處的承受力時(shí)， 就能把樁從此處拉開(kāi)兩節(jié)， 形成斷樁。 此時(shí)若這個(gè)位置是接口焊縫位置， 且焊縫質(zhì)量較差時(shí)， 往往是首當(dāng)其沖， 接口直接給振松并給應(yīng)力波拉開(kāi)了。 若此時(shí)樁與樁之間距離過(guò)于緊密， 樁周土受擠壓作用增加， 有可能繼續(xù)擴(kuò)大兩節(jié)樁在斷口處的間距， 也就是常常所說(shuō)的 “浮樁”現(xiàn)象。 因?yàn)閮晒?jié)樁斷開(kāi)距離不大， 當(dāng)高應(yīng)變法檢測(cè)重錘擊打下來(lái)時(shí)， 就把兩節(jié)樁之間的縫隙給逐步打到密實(shí)了。 由于兩節(jié)樁接口處有樁端板和鐵皮保護(hù)， 既牢固堅(jiān)硬， 又光滑平整， 因此容易給打成密實(shí)連接。 所以出現(xiàn)前幾錘打下時(shí)錘擊貫入度較大， 縫隙打密實(shí)后， 最后兩錘打下時(shí)錘擊貫入度都很小， 此時(shí)看不出樁有什么大問(wèn)題。

某棟A# 樁， 有效樁長(zhǎng)24m（12+12）， 測(cè)點(diǎn)樁長(zhǎng)23.5m， 檢測(cè)時(shí)15.5m 處有嚴(yán)重缺陷， 缺陷位置在接口處往下2m。 圖15~19 為檢測(cè)時(shí)打的第一至第五錘。 五錘的貫入度都比較大， 樁下沉量較大，錘無(wú)彈跳， 錘擊聲音沉悶。 在缺陷位置， 力曲線迅速回零， 速度曲線突然起跳， 反應(yīng)強(qiáng)烈。 從力和速度曲線上看， 前后五錘信號(hào)相差不大， 檢測(cè)時(shí)錘擊貫入度都較大， 并且缺陷位置不在接口處，因此判別這根樁在15.5 m 處斷裂。

樁身雖然強(qiáng)度高， 但比較脆， 且斷口處又凹凸不平， 不像完整的兩節(jié)配管， 接口處均有法蘭盤， 光滑平整， 并有鐵皮包裹保護(hù)。 當(dāng)樁頂受到幾百噸的打擊力時(shí)， 樁身斷口處的破損有繼續(xù)擴(kuò)大的可能， 斷口裂縫不規(guī)則， 甚至已經(jīng)破碎， 不那么容易閉合。 所以連續(xù)擊打幾錘， 錘擊貫入度都較大， 樁都有較大下沉。 選取最后一錘采樣信號(hào)作擬合計(jì)算， 結(jié)果可以看出， 檢測(cè)承載力只有1 936 kN， 完整性系數(shù)β=0.44， 完整性為Ⅳ類樁， 承載力和完整性均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求， 如圖20 所示。

圖10 131# 樁第一錘力、速度曲線Fig.10 Force, speed curve of the first hammer of 131 # pile

圖11 131# 樁第二錘力、速度曲線Fig.11 Force, speed curve of the second hammer of 131 # pile

圖12 131# 樁復(fù)打第一錘力、速度曲線Fig.12 Force, speed curve after repeat blow of the first hammer of 131 # pile

圖13 131# 樁復(fù)打第二錘力、速度曲線Fig.13 Force, speed curve after repeat blow of the second hammer of 131 # pile

圖14 131# 樁復(fù)打第二錘擬合計(jì)算曲線Fig.14 Fitting calculation curve after repeat blow of the second hammer of 131 # pile

4 結(jié)語(yǔ)

雖然接口松脫與樁身某處斷裂都屬于斷樁，但是如果只是接口處松脫， 它不會(huì)影響樁的豎向抗壓承載力， 用靜載方法驗(yàn)證檢測(cè)是能滿足承載力要求的。 反過(guò)來(lái)說(shuō)， 靜載方法無(wú)法知道樁的完整性情況。 作者認(rèn)為， 若屬于多層建筑或不用考慮水平力問(wèn)題的樁基礎(chǔ)， 接口處的 “斷樁” 在打擊五、 六錘以內(nèi)能閉合， 則可以作為Ⅱ類樁使用；若屬于高層以上建筑， 則接口處的 “斷樁” 應(yīng)該直接判為Ⅳ類樁的不合格樁。 因?yàn)楦邔右陨辖ㄖ紤]建筑物的抗風(fēng)、 抗拔問(wèn)題， 此時(shí)也許豎向抗壓承載力能滿足要求， 但樁的抗剪切作用大大降低或喪失， 所以這種情況下不能判為Ⅱ類樁來(lái)繼續(xù)使用， 也不要判為Ⅲ類樁從而進(jìn)一步用靜載方法驗(yàn)證檢測(cè)。 至于樁身非接口位置的斷裂， 當(dāng)然直接判為Ⅳ類樁毫無(wú)疑問(wèn)。

圖15 A# 樁第一錘力、速度曲線Fig.15 Force，speed curve of the first hammer of A # pile

圖16 A# 樁第二錘力、速度曲線Fig.16 Force，speed curve of the second hammer of A # pile

圖17 A# 樁第三錘力、速度曲線Fig.17 Force, speed curve of the third hammer of A # pile

圖18 A# 樁第四錘力、速度曲線Fig.18 Force，speed curve of the fourth hammer of A # pile

圖19 A# 樁第五錘力、速度曲線Fig.19 Force, speed curve of the fifth hammer of A # pile

圖20 A# 樁第五錘擬合計(jì)算曲線Fig.20 Fitting calculation curve of the fifth hammer of A # pile

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