低應(yīng)變動(dòng)測法在樁基質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

趙蘇玲，王約發(fā)，熊中平

(1.江西海航建設(shè)科技有限公司，江西 南昌 330200；2.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216；3.南昌對外工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330038)

1 引 言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使城市越發(fā)繁榮，大型橋梁和高層建筑不斷涌現(xiàn)[1]，傳統(tǒng)的淺基礎(chǔ)或天然地基的地耐力已無法滿足設(shè)計(jì)要求，不得不采用如樁基礎(chǔ)、沉井和地下連續(xù)墻等深基礎(chǔ)，以鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)應(yīng)用最為廣泛，有關(guān)鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)理論、設(shè)備和工藝水平都取得了巨大的進(jìn)步。如鄧燕華[2]研究了長螺旋擴(kuò)底壓灌混凝土樁及其設(shè)備，解決了傳統(tǒng)工藝樁基承載力低和入巖難的不足，但因樁基施工受地質(zhì)條件和天氣等因素影響，工序質(zhì)量難以控制，問題屢見不鮮[3]，加上隱蔽性強(qiáng)，即使出現(xiàn)質(zhì)量問題也較難發(fā)現(xiàn)。如何對樁基施工質(zhì)量進(jìn)行檢測成為擺在工程技術(shù)人員面前的重要問題。

當(dāng)前，樁的質(zhì)量檢測主要集中在單樁承載力和樁身完整性兩方面。前者最有效的檢測方法是靜載試驗(yàn)，但費(fèi)用高，后者主要有低應(yīng)變動(dòng)測法、聲波透射法和鉆芯法等。與其它檢測方法相比，低應(yīng)變動(dòng)測法具有靈活輕便、簡單快捷和高效等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前樁基完整性檢測的主要手段[4]。

2 低應(yīng)變動(dòng)測法

2.1 工作原理

低應(yīng)變動(dòng)測法的理論基礎(chǔ)是以一維線彈性桿件模型為依據(jù),并設(shè)應(yīng)力波在樁身中的傳播符合平截面假定，以低能量的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)激振方式在樁頂激振，沖擊能以波的形式傳遞至樁底[5]，從而獲取樁頂速度時(shí)程曲線或加速度曲線，然后基于波動(dòng)理論或頻域分析，對樁身的完整性進(jìn)行判定，包括反射波法和機(jī)械阻抗法[4]。

2.2 適用條件

低應(yīng)變動(dòng)測法僅適用樁身截面基本規(guī)則，且樁的長細(xì)比、瞬態(tài)激勵(lì)脈沖有效高頻分量的波長與樁的橫向尺寸之比均宜大于5，嚴(yán)禁用于薄壁鋼管樁和類似于H形鋼樁的異形樁檢測。另外，由于激振能在樁身傳遞的衰減受地質(zhì)條件影響顯著，有效檢測長度主要受樁土剛度比的制約，以致各地提出的有效檢測范圍相差很大，通常認(rèn)為其適用的最大樁長為50m[6]。

2.3 檢測條件

低應(yīng)變動(dòng)測法須在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上，且不小于15MPa時(shí)方能進(jìn)行[7]。檢測前應(yīng)清除樁頂浮漿或松散、破損部分，保持樁頂表面平整干凈、無積水，割掉妨礙測試的樁頂外露主筋。傳感器與樁頂面垂直粘接，在粘接牢固的前提下，粘接劑的厚度要盡量薄，必要時(shí)可采用沖擊鉆打孔安裝，以防止傳感器橫向振動(dòng)對檢測結(jié)果的不利影響。

2.4 檢測方法

為減少外部環(huán)境和測試中樁的振動(dòng)對測試信號產(chǎn)生的干擾，激振點(diǎn)與傳感器安裝點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離鋼筋籠的主筋。實(shí)心樁的激振點(diǎn)應(yīng)選擇在樁中心，傳感器宜設(shè)在距樁中心2/3R(R為半徑)處?？招臉兜募ふ顸c(diǎn)與傳感器宜設(shè)在同一水平面上、空樁壁厚的1/2處，兩者與樁中心連線宜成90°夾角。

由于樁徑越大，各部位運(yùn)動(dòng)的不均勻性越強(qiáng)，樁身阻抗變化具有顯著的方向性。為全面反映樁身結(jié)構(gòu)的完整性，應(yīng)增加檢測點(diǎn)的數(shù)量?？梢姡笾睆綐兜臏y點(diǎn)數(shù)較小直徑樁多。因此，測點(diǎn)布置數(shù)量主要依據(jù)樁徑大小而定，一般樁心應(yīng)對稱布置2～4個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采用3次平均值，且最少要記錄3個(gè)有效信號數(shù)。為增加數(shù)據(jù)的有效性，3次敲擊的力度和角度應(yīng)盡量相似。時(shí)域信號記錄的時(shí)間段長度應(yīng)在2L/c時(shí)刻后延續(xù)不少于5ms，幅頻信號分析的頻率范圍上限不應(yīng)小于2000Hz[7，8]。

3 低應(yīng)變動(dòng)測法理論基礎(chǔ)

關(guān)于樁的完整性檢測理論，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究。李衛(wèi)慶等[9]研究了鉆孔灌注樁的完整性，陳凡等[10]研究了尺寸效應(yīng)對低應(yīng)變動(dòng)測法檢測基樁完整性的影響。張阿舟等[11]研究了既考慮樁底土的作用、又考慮樁側(cè)土影響的理想樁自由振動(dòng)特性，但未考慮樁頂具體激振形式。樁的低應(yīng)變動(dòng)測法理論是判斷樁身缺陷的重要理論，文獻(xiàn)[10，12]認(rèn)為，樁的完整性檢測可以參照一維彈性桿縱波理論。本文以等截面桿為例，分析聲波傳播特性。

3.1 聲波在等截面桿件的傳播特性

在軸向荷載撞擊下，桿中微單元受力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 直桿的軸向振動(dòng)

(1)

即：

(2)

軸力：

(3)

令：

(4)

則：

(5)

式中，u為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；m為單位質(zhì)量；ρ為質(zhì)量密度；E為材料彈性模量；c為波速。

將方程(5)作變量代換，令：

ξ=x-ct

(6)

η=x+ct

(7)

復(fù)合函數(shù)的全導(dǎo)數(shù)為：

(8)

(9)

同理：

(10)

將式(9)、式(10)代入式(5)，得：

(11)

設(shè)函數(shù)f1(ξ)及f2(η)都滿足方程的解，則其任意線性組合也滿足方程，式(5)的一般解為：

u(x,t)=f1(x-ct)+f2(x+ct)

(12)

式中，f1(ξ)和f2(η)為參數(shù)x-ct及x+ct的任意函數(shù)關(guān)系式，第一項(xiàng)f1(ξ)在0時(shí)刻，波動(dòng)位置為f1(x)，經(jīng)過t時(shí)刻，波以速度c移至x′，波的新位置變成了x′=x-ct，f1(x-ct)=f1(x′)形狀不變。

3.2 聲波在變截面處的傳播特性

桿件連接處因全桿各點(diǎn)滿足平衡條件和相容條件，此時(shí)入射波ua向前傳播，到達(dá)連接面時(shí)便在桿1形成沿反向傳播的反射波uτ，在桿2形成向前傳播的透射波ut?？紤]連接截面處桿件的連續(xù)性，界面上的位移和力也應(yīng)保持連續(xù)性，即順入射波方向的力Fa、入射波反方向的力Fr和入射波同方向的透射力Ft(見圖2)應(yīng)滿足下列關(guān)系：

圖2 不同桿件連接

u1=u2ua+uτ=ut
F1=F2Fa+Fr=Ft

(13)

各桿件參數(shù)如下：

(14)

由于任意時(shí)刻都要滿足連續(xù)性條件，因此：

(15)

ua=fa(x-c1t)

(16)

ur=fr(x+c1t)

(17)

ut=ft(x-c2t)

(18)

(19)

(20)

同理：

(21)

(22)

將式(20)-式(22)代入式(15)，得到：

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

3.3 聲波頻域特征

由以上各式可知，當(dāng)樁身阻抗力由大變小，即Z1>Z2，a<1時(shí)，入射波與反射波同向；當(dāng)樁身阻抗由小變大，即Z11時(shí)，入射波與反射波反向；當(dāng)樁身阻抗力不變，即Z1=Z2，a=1時(shí)，不存在反射現(xiàn)象。阻抗增大反映了樁身擴(kuò)頸或混凝土強(qiáng)度增大；阻抗無變化，表明樁身無缺陷。若樁底落在基巖上，即阻抗增大，入射波與反射波反向；若樁底落在軟弱下臥層上，即阻抗降低，入射波與反射波同向；當(dāng)樁底阻抗遠(yuǎn)小于樁身時(shí)，表明樁底出現(xiàn)沉渣，或樁端進(jìn)入持力層弱或柱腳懸空。據(jù)此，通過分析，可以得出各類缺陷樁的聲波頻域特征。

4 低應(yīng)變動(dòng)測法在樁基檢測中典型聲波特征的工程實(shí)例

從前文的理論分析可知，低應(yīng)變動(dòng)測法的入射波與反射波的脈沖信號的相位關(guān)系主要與界面阻抗和樁底持力層性狀有關(guān)。無論摩擦樁還是端承樁，可以通過不同部位波動(dòng)特性分析出樁身完整性及持力層特征。以下分析不同缺陷樁的聲波特征曲線，如圖3-圖8所示。圖中，橫坐標(biāo)單位為m，表示檢測樁長；縱坐標(biāo)為聲速度，單位為m/s(備注：為方便檢測樁的缺陷分析，保留邊框和豎向次要線，聲波曲線沿縱軸正向整體平移)。

4.1 完整樁的聲波特性

某鉆孔灌注樁完整樁的時(shí)域曲線示意見圖3。圖中，鉆孔灌注樁樁長為30m，樁徑為0.6m，混凝土強(qiáng)度為C25，地質(zhì)情況從上至下依次為淤泥、黏土和含砂石的黏土。該樁波形曲線規(guī)則，樁間無反射，即樁身截面阻抗無變化或變化極小，表明樁身完好；樁底反射明顯，表明樁端進(jìn)入持力層，判斷該樁為Ⅰ類樁。

圖3 某鉆孔灌注樁完整樁時(shí)域曲線示意

4.2 斷樁或嚴(yán)重縮頸樁的聲波特性

某振動(dòng)沉管灌注樁斷樁或嚴(yán)重縮頸樁時(shí)域曲線示意見圖4。所測樁長為18m，樁徑為0.426m，混凝土強(qiáng)度為C25。檢測到的波形曲線不規(guī)則，且樁底反射不清，7m處有正向子波疊加，波速出現(xiàn)突增現(xiàn)象，14m深度位置處有二次反射，表明樁身出現(xiàn)類似縮頸現(xiàn)象。但不同的是，7m深度位置處前段波速變化幅度也較大，這可能是斷樁導(dǎo)致聲波來回“振蕩”所致，推斷7m處斷樁，判斷該樁為Ⅲ類樁。隨后進(jìn)行的靜載試驗(yàn)荷載與沉降(Q-s)曲線表明，加載至210kN前，Q-s曲線斜率較小，加載至280kN時(shí)，曲線陡降7.03mm，為210kN時(shí)沉降量的5.37倍，此后曲線斜率變緩。靜載試驗(yàn)的Q-s曲線再次佐證了該樁為斷裂脫空所致。壓實(shí)后，Q-s曲線又趨于正常[13]。

圖4 某振動(dòng)沉管灌注樁斷樁或嚴(yán)重縮頸樁時(shí)域曲線示意

4.3 縮頸樁的聲波特性

某鉆孔灌注樁縮頸樁時(shí)域曲線示意見圖5。所測樁長為25m，樁徑為0.6m。檢測到的波形曲線基本規(guī)則，樁底有弱反射，但在10m處有正向子波疊加，這可推斷為樁身截面由大變小，以致阻抗變小所致，推斷該樁輕度縮頸，判斷該樁為Ⅱ類樁。

圖5 某鉆孔灌注樁縮頸樁時(shí)域曲線示意

4.4 離析樁的聲波特性

某振動(dòng)沉管灌注樁離析樁時(shí)域曲線示意見圖6。所測樁長為25m，樁徑為0.426m。檢測到的波形曲線不規(guī)則，且樁底反射不清楚。7.6m深度位置之前波形曲線呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)衰減，但在7.6m深度位置處卻疊加既寬又強(qiáng)的正向子波，且在15m處有弱的二次反射，這可能是7.6m和15m深度位置處均有離析。離析可以理解為樁密度降低，截面阻抗減小，導(dǎo)致聲波在7.6m深度位置前出現(xiàn)類似斷樁的來回“振蕩”。不同的是，前者截面阻抗較后者降低幅度小，以致前者的波形曲線呈現(xiàn)更有規(guī)律的負(fù)指數(shù)衰減，而后者的規(guī)律性相對較差，判斷該樁為Ⅲ類樁。

圖6 某振動(dòng)沉管灌注樁離析樁時(shí)域曲線示意

4.5 擴(kuò)頸樁的聲波特性

某鉆孔灌注樁擴(kuò)頸樁時(shí)域曲線示意見圖7。所測樁長為26m，樁徑為0.5m?？梢钥闯?，所檢測到的波形曲線不僅不規(guī)則，樁底反射不清楚，且在2.2m深度位置處有強(qiáng)反向子波疊加，這可能是樁截面增大、阻抗變大，導(dǎo)致入射波與反射波反向，同時(shí)投射波速度降低，經(jīng)衰減后能傳遞至樁的能量已經(jīng)非常微弱，推斷為明顯擴(kuò)頸，隨后的開挖試驗(yàn)也驗(yàn)證了此推斷。

圖7 某鉆孔灌注樁擴(kuò)頸樁時(shí)域曲線示意

5 缺陷樁加固效果評價(jià)

某鉆孔灌注端承樁多種缺陷樁處理前后的時(shí)域曲線示意見圖8。所測樁長為16m，樁徑為0.6m。檢測到的波形曲線不規(guī)則，且在低頻波上疊加高頻鋸齒狀子波，樁端未見明顯反射，這可能是1.5m深度位置處左右碎裂或離析導(dǎo)致截面阻抗急劇降低所致，判斷該樁為Ⅲ類樁，見圖8(a)。

經(jīng)淺部處理后，再次進(jìn)行了檢測。這次波形曲線前段較處理前波形規(guī)則，但尾部仍有非正常的強(qiáng)反射，還有二次、三次反射，見圖8(b)，其原因可能是樁底沉渣較厚。取芯結(jié)果表明，樁底沉渣厚度達(dá)到45cm?？梢?，樁底有沉渣時(shí)，樁端將無反射波或反射波不明顯[14,15]。

樁底注漿加固后檢測到的波形規(guī)則，樁底反射明顯，且樁底反射波幅較注漿前明顯減小，表明樁身完整，樁基缺陷加固處理效果好，見圖8(c)。

(a)樁初次檢測

以上分析表明，完整樁的波形曲線規(guī)則，缺陷樁因截面阻抗的變化導(dǎo)致波形曲線不規(guī)則，樁底反射不清楚或者反射波波幅突變。為保證樁基施工質(zhì)量，對某缺陷進(jìn)行加固處理后，再對該樁進(jìn)行復(fù)檢。如復(fù)檢合格，則判定該樁基處理質(zhì)量滿足要求。因此，低應(yīng)變動(dòng)測法不僅適用于樁的完整性檢測，而且適用于樁加固處理效果評價(jià)。樁身完整性判定不能僅憑主觀經(jīng)驗(yàn)，而應(yīng)基于聲波在樁體的傳播理論，從截面阻抗變化入手，科學(xué)分析，得出正確結(jié)論。

6 結(jié) 語

本研究從低應(yīng)變動(dòng)測法的適用范圍和基本要求著手，分析了聲波在不同截面桿件的傳播特性，詳細(xì)介紹了其在樁檢中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

(1)完整樁的時(shí)域波形曲線呈規(guī)律衰減，樁底有明顯的反射信號，反射波與入射波同向。離析樁的時(shí)域波形曲線一般不規(guī)則，反射不明顯，波幅會(huì)出現(xiàn)陡降?？s頸樁的時(shí)域波形曲線，在縮頸部位入射波與反射波同向，波速增大。擴(kuò)頸樁反射波與入射波反向，波速減小，波頻不變。斷裂和嚴(yán)重縮頸樁的時(shí)域波形曲線呈現(xiàn)無規(guī)律的衰減，樁底反射不清。樁端進(jìn)入軟持力層時(shí)，樁底無反射或者反射不明顯。

(2)縮頸和斷樁等多種缺陷樁，因截面阻抗的變化導(dǎo)致波形曲線不規(guī)則，樁底反射不清楚或者反射波波幅突變。為保證樁基施工質(zhì)量，往往在對相應(yīng)缺陷進(jìn)行加固處理后，再對該樁進(jìn)行復(fù)檢，根據(jù)復(fù)檢結(jié)果判定該樁基處理質(zhì)量是否滿足要求。因此，低應(yīng)變動(dòng)測法不僅適用于樁的完整性檢測，而且適用于樁缺陷處理后的效果評價(jià)。