基樁低應(yīng)變法樁頂三維效應(yīng)影響研究

鐘燕茹

(廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司)

0 引言

低應(yīng)變法的理論基礎(chǔ)是一維波動(dòng)理論，受檢樁須為細(xì)長(zhǎng)桿件，并滿足平截面假設(shè)，在滿足以上前提條件下，可認(rèn)為在激振脈沖作用下樁身中傳播的應(yīng)力波為一維縱波，且傳感器接收到的實(shí)測(cè)信號(hào)能夠客觀、真實(shí)地反映入射波、反射波之間的相位和幅值關(guān)系。但是在實(shí)際工程中，基樁并不能認(rèn)為是一維桿件，特別是大直徑灌注樁，由于試驗(yàn)所采用的錘重限制，所激發(fā)激勵(lì)脈沖的有效高頻分量對(duì)應(yīng)的脈沖寬度有限，樁頂面附近應(yīng)力波不是一維縱波，也不滿足平截面假設(shè)，呈顯著的三維效應(yīng)。對(duì)低應(yīng)變法信號(hào)采集效果、結(jié)果分析準(zhǔn)確性均帶來不利影響。

本研究從三維效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理、對(duì)低應(yīng)變法測(cè)試的不利影響及減小三維效應(yīng)干擾的技術(shù)手段等方面開展研究，從理論和實(shí)踐方面綜合探討了樁頂三維效應(yīng)并進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為解決大直徑灌注樁低應(yīng)變法測(cè)試效果、分析水平提供支持。

1 樁頂?shù)娜S效應(yīng)

1.1 三維效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

一維波動(dòng)理論嚴(yán)格成立的條件是傳播介質(zhì)為一維彈性材料桿件，且激勵(lì)脈沖為平面波，但實(shí)際情況下受檢樁樁長(zhǎng)有限，并不符合一維桿件的假設(shè)。同時(shí)由于低應(yīng)變法激振接觸尺寸與樁頂橫向尺寸相比很小，更接近點(diǎn)振源，所產(chǎn)生的激勵(lì)脈沖也更接近球面波，低應(yīng)變法激振產(chǎn)生的應(yīng)力波也不是單純的縱波，平截面假設(shè)不嚴(yán)格成立。1968年學(xué)者R.D.Woods的研究結(jié)果表明，敲擊產(chǎn)生的應(yīng)力波在半無限空間體介質(zhì)中傳播時(shí)，瑞利波（表面波）能量占67%，橫波（剪切波）占26%，縱波（壓縮波）占7%[1]。

1.2 激勵(lì)脈沖實(shí)測(cè)信號(hào)中的三維效應(yīng)

實(shí)際工程中的基樁物理模型介于一維桿件和半無限空間體之間，則低應(yīng)變法試驗(yàn)時(shí)樁頂激勵(lì)脈沖在樁身介質(zhì)中產(chǎn)生的應(yīng)力波介于平面波和球面波之間，傳感器接收到的信號(hào)除包含有效的縱波外，還包含橫波和瑞利波等干擾成分。

在低應(yīng)變法實(shí)際測(cè)試過程中，實(shí)測(cè)信號(hào)中不可避免受到樁頂三維效應(yīng)的不利影響，特別是大直徑灌注樁試驗(yàn)中表現(xiàn)尤為突出。三維效應(yīng)一方面加大了采集高質(zhì)量信號(hào)的難度，另一方面對(duì)判斷樁身完整性的準(zhǔn)確性造成干擾。因此需要首先分析三維效應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)造成負(fù)面影響的典型情況，能夠在實(shí)踐操作中識(shí)別和發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而通過技術(shù)手段降低三維效應(yīng)帶來的干擾，從而提升結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

2 三維效應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)的影響

2.1 實(shí)測(cè)信號(hào)質(zhì)量

從以上理論分析中可知，低應(yīng)變法在樁頂敲擊產(chǎn)生的激勵(lì)脈沖由于三維效應(yīng)引起的橫波和表面波是采集高質(zhì)量實(shí)測(cè)信號(hào)的不利因素，主要原因是在樁頂面橫向傳播的橫波和表面波及其在樁頂邊緣產(chǎn)生的高頻反射波，與縱波在傳感器安裝位置產(chǎn)生疊加，對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)造成干擾，特別對(duì)于大直徑灌注樁，橫波和瑞利波在樁中心和周邊多次反射而形成的高頻波耦合，會(huì)對(duì)樁身質(zhì)量判定造成不利的影響。

某工程20#灌注樁，樁長(zhǎng)23.88m，樁徑1200mm，分別采用1.5㎏的手錘和7㎏的力棒進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)信號(hào)如圖1所示。

圖1 采用不同激振設(shè)備的實(shí)測(cè)曲線

受檢樁直徑為1200mm，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，激振錘擊點(diǎn)距離傳感器安裝位置約為400mm，當(dāng)采用手錘激振時(shí)，由于三維效應(yīng)，信號(hào)采集質(zhì)量較低，主要表現(xiàn)為：

⑴激勵(lì)脈沖信號(hào)產(chǎn)生畸變，起跳點(diǎn)前出現(xiàn)受拉引起的負(fù)向速度，與實(shí)際受壓情況沖突。

⑵中上部信號(hào)出現(xiàn)振蕩，疑似樁身存在缺陷。

⑶信號(hào)尾部不歸零。

當(dāng)采用力棒在同一位置進(jìn)行試驗(yàn)，得到高質(zhì)量信號(hào)，且樁身完整。分析兩種激振設(shè)備實(shí)測(cè)信號(hào)差異，主要原因是手錘激振產(chǎn)生的高頻脈沖中橫波和表面波成分高，實(shí)測(cè)信號(hào)中三維效應(yīng)影響顯著，采用力棒激振產(chǎn)生的低頻脈沖中縱波成分高，橫波和表面波占比低，應(yīng)力波更接近在一維桿件中傳播，三維效應(yīng)不顯著，因此實(shí)測(cè)信號(hào)質(zhì)量更高。

2.2 淺部缺陷識(shí)別

按照一維縱波理論和平截面假定，無論激振點(diǎn)和信號(hào)接收點(diǎn)設(shè)置在樁頂任何位置，傳感器實(shí)測(cè)信號(hào)均有很高的一致性。但由于三維效應(yīng)的影響，激振點(diǎn)和信號(hào)接收點(diǎn)位置的選取將對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響，特別是對(duì)淺部缺陷的判斷。

某民宅工程采用直徑600mm的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)全部為30.00m，破除樁頭浮漿后進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，3號(hào)樁實(shí)測(cè)信號(hào)見圖2。

圖2 3號(hào)樁低應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線

圖2中(a)、(b)曲線分別為選擇不同敲擊、接收位置的實(shí)測(cè)信號(hào)，(a)曲線反映出淺部存在嚴(yán)重缺陷，(b)曲線反映在樁中上部存在輕微缺陷，結(jié)論沖突。經(jīng)開挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在距樁頂約0.8m處樁身夾泥且存在水平裂縫，存在嚴(yán)重缺陷。實(shí)際情況如圖3所示。

圖3 3號(hào)樁照片

該工程實(shí)例反映出三維效應(yīng)對(duì)淺部缺陷測(cè)試的影響，即一維波動(dòng)理論和平截面假定不成立的情況下，低應(yīng)變法試驗(yàn)激振錘擊點(diǎn)、傳感器安裝點(diǎn)的選取對(duì)淺部缺陷的分辨具有至關(guān)重要的影響，因此在試驗(yàn)過程中需嚴(yán)格遵循規(guī)范規(guī)定的激振錘擊點(diǎn)、傳感器安裝點(diǎn)選取以及采集信號(hào)數(shù)量原則，對(duì)淺部有疑問的樁，需增加點(diǎn)位和信號(hào)采集數(shù)量。

2.3 缺陷程度判定

由于方法的局限性，低應(yīng)變法對(duì)于缺陷程度的判定未能達(dá)到定量分析，主要是通過對(duì)疑似缺陷位置反射波的形態(tài)與入射波進(jìn)行比較，分析缺陷處阻抗與完整樁身阻抗的比值，進(jìn)而定性判定缺陷程度，理論計(jì)算見公式⑴。

式中：Vi為激勵(lì)脈沖峰值，Vr為變阻抗截面處反射峰值，β為變阻抗與完整樁身阻抗之比，β與Vr/Vi成正相關(guān)關(guān)系，即缺陷越大，反射波峰值越高，但兩者變化不成比例。

在三維效應(yīng)的影響下，激振錘擊點(diǎn)距離傳感器的遠(yuǎn)近對(duì)實(shí)測(cè)激勵(lì)脈沖峰值的影響大于對(duì)實(shí)測(cè)缺陷反射峰值的影響。某工程中基樁為直徑1200mm的灌注樁，對(duì)130#樁進(jìn)行低應(yīng)變法測(cè)試，傳感器安裝在樁中心，在距離樁中心點(diǎn)不同位置進(jìn)行2次敲擊試驗(yàn)，第一次距離按照規(guī)范規(guī)定為400mm，第二次試驗(yàn)距離為200mm。結(jié)果見圖4。

圖4 同一根樁不同敲擊距離下的低應(yīng)變實(shí)測(cè)信號(hào)

兩次實(shí)測(cè)信號(hào)在距離樁頂約11.5m的位置均出現(xiàn)同向反射信號(hào)，對(duì)實(shí)測(cè)激勵(lì)脈沖和反射信號(hào)的峰值進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 實(shí)測(cè)信號(hào)峰值分析

(a)、(b)信號(hào)在11.5m處反射波峰值均為0.15cm/s，但由于(b)信號(hào)激振錘擊點(diǎn)距離傳感器位置近，造成實(shí)測(cè)信號(hào)入射激勵(lì)脈沖峰值更大，反射波峰值相近的情況下入射激勵(lì)脈沖峰值越大，實(shí)測(cè)信號(hào)中反射峰相對(duì)越低，缺陷程度越不明顯。如圖4，同一根樁在僅改變敲擊距離的兩次試驗(yàn)中，缺陷反映程度具有顯著差異，這種差異可能對(duì)完整性判定結(jié)論造成質(zhì)的影響。因此激振錘擊點(diǎn)距離傳感器位置小于規(guī)范規(guī)定距離，會(huì)掩蓋缺陷嚴(yán)重程度。

3 減小三維效應(yīng)影響的技術(shù)措施

為減小樁頂三維效應(yīng)對(duì)低應(yīng)變法測(cè)試影響，可采取以下有效的技術(shù)措施。

⑴提高激勵(lì)脈沖低頻成分占比。低應(yīng)變法激勵(lì)脈沖為復(fù)頻波，減少激勵(lì)脈沖中的高頻分量，可有效增大脈沖寬度，使激振產(chǎn)生的應(yīng)力波更接近于平面波。廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》（DBJ/T 15-60-2019）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）中分別規(guī)定，低應(yīng)變法瞬態(tài)激振脈沖有效高頻分量的波長(zhǎng)與受檢樁橫向尺寸之比宜大于5和10，其目的也是降低三維效應(yīng)的影響。

⑵嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)定選取傳感器安裝點(diǎn)與激振錘擊點(diǎn)。廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》（DBJ/T 15-60-2019）規(guī)定，實(shí)心樁傳感器安裝點(diǎn)與激振錘擊點(diǎn)的距離宜不小于樁徑或矩形樁邊寬的四分之一；當(dāng)激振錘擊點(diǎn)在樁中心時(shí)，傳感器安裝點(diǎn)與樁中心的距離宜為樁半徑的三分之二。有研究表明按照以上規(guī)定的傳感器安裝點(diǎn)與激振錘擊點(diǎn)試驗(yàn)，三維效應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)影響最小。

⑶改變傳感器安裝點(diǎn)與激振錘擊點(diǎn)的位置，增加信號(hào)采集數(shù)量。雖然規(guī)范中規(guī)定了不同樁徑情況下最少的信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)，但對(duì)于易受樁頂三維效應(yīng)影響的大直徑灌注樁，應(yīng)增加采集點(diǎn)數(shù)量，綜合分析三維效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響，選定客觀反映樁身完整性的信號(hào)進(jìn)行分析[2－3]。

4 結(jié)論

對(duì)基樁低應(yīng)變法樁頂三維效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的影響進(jìn)行了討論，從原理和實(shí)踐兩方面進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

⑴在工程實(shí)踐中由于基樁和激勵(lì)脈沖的物理、力學(xué)模型不滿足一維桿件和平截面等基本假設(shè)，樁頂附近的三維效應(yīng)不可避免地出現(xiàn)，且對(duì)試驗(yàn)的影響不可忽視。

⑵樁頂面的三維效應(yīng)對(duì)信號(hào)采集質(zhì)量、淺部缺陷的分辨識(shí)別以及缺陷程度的判定等方面造成諸多不利影響，特別是大直徑灌注樁，在實(shí)踐中應(yīng)識(shí)別并減少三維效應(yīng)造成的負(fù)面效應(yīng)。

⑶通過提高激勵(lì)脈沖低頻成分占比、按照規(guī)范選取傳感器安裝點(diǎn)與激振錘擊點(diǎn)，以及改變傳感器安裝點(diǎn)與激振錘擊點(diǎn)的位置、增加信號(hào)采集數(shù)量等技術(shù)手段可有效減小三維效應(yīng)對(duì)低應(yīng)變信號(hào)的影響。