旁孔法探測樁基完整性的數(shù)值模擬分析

楊展鵬，宋琢

（1.廣州市廣園市政建設(shè)有限公司，廣州 510040；2.廣州一建建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣州 510060）

0 引言

目前對于樁基重要性的研究較多，往往決定著整體工程的穩(wěn)定性[1-2]，所以對于樁基的檢測尤為重要。傳統(tǒng)樁基檢測方法，如高、低應(yīng)變法、超聲波法、靜載法等，對于有上部結(jié)構(gòu)的既有樁基均不完全適用[3-5]。針對既有樁基礎(chǔ)檢測存在的諸多困難，國外學(xué)者提出采用旁孔法對既有樁基的樁長及完整性進(jìn)行檢測[6-7]。

旁孔法是在既有樁基周圍土體中鉆檢測孔，并在孔中利用三分量檢波器或多道水聽器鏈接收自樁頂結(jié)構(gòu)激發(fā)沿樁身向下傳遞的豎向縱波，通過旁孔井中傳感器來檢測樁身透射波首波的時間規(guī)律判斷樁長[8-10]。

目前，旁孔法主要用于既有工程樁基的長度檢測。Liao等[11]提出由兩擬合線交點(diǎn)及相應(yīng)的校正算式確定樁底深度，并用有限元模型進(jìn)行檢驗(yàn)。Huang等[12]通過三維有限元模擬分析了單孔地震波法檢測水泥攪拌樁長度的可行性，提出將上段首至波走時擬合線平移過原點(diǎn)，其與下段擬合線的交點(diǎn)作為樁底深度。Ni等[13]給出了考慮旁孔傾斜角的樁底深度校正算式。陳龍珠等[14]給出了完整樁的底端深度計(jì)算公式和適用條件。張敬一等[15]采用基于射線理論的樁-土簡化理論模型，得到了3種單孔地震波法樁底深度確定方法的適用性及適用條件。

盡管旁孔方法在探測既有樁基長度方面已得到了較廣泛的應(yīng)用，但關(guān)于該方法用于探測和評定既有樁基的缺陷和損傷情況的研究仍不多見。本文采用數(shù)值分析方法對樁頂自由樁基和帶承臺樁基進(jìn)行動力分析，研究應(yīng)力波在缺陷樁基中的透射規(guī)律。

1 數(shù)值模型與工況

本文采用二維有限差分軟件Tesseral進(jìn)行樁-土體系建模，開展旁孔法的正演模擬，重點(diǎn)探討：

（1）樁身缺陷的地震波時—深曲線特征；

（2）樁-孔間距對樁身缺陷探測效果的影響；

（3）承臺結(jié)構(gòu)對樁身缺陷探測效果的影響。

1.1 數(shù)值模型及參數(shù)

根據(jù)不同工況建模，各模型地層均相同，由3種不同性質(zhì)土層組成，自上而下土體剛度和強(qiáng)度依次增大，各層土的物理參數(shù)參見表1。

表1 分層地基土體物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of layered soil

圖1為無承臺樁基模型，給定樁體、缺陷段和土體彈性波波速等參數(shù)，在樁體不同位置設(shè)置各類缺陷，樁頂部位進(jìn)行豎向激振。為減小彈性波在土體邊界反射影響，土體模型水平距離和豎向距離分別取100 m和50 m，土體邊界設(shè)置為吸收邊界。圖2為帶承臺樁基模型，承臺厚度為1.5 m，寬2 m。

圖1 獨(dú)立單樁數(shù)值計(jì)算示意圖Fig.1 Numerical calculation diagram of independent single pile

圖2 帶承臺樁基數(shù)值計(jì)算示意圖Fig.2 Numerical calculation diagram of pile foundation with cap

激振荷載施加位置位于樁頂中心處。記錄總時長取20 ms，采樣間隔時間0.02 ms，測試孔內(nèi)上下采樣點(diǎn)相鄰0.1 m。樁身缺陷類別包括縮徑、斷樁、沉渣等，樁身缺陷段泊松比均取0.3。激振荷載施加位置均位于樁頂中心處。記錄總時長取20 ms，采樣間隔時間0.02 ms，測試孔內(nèi)上下采樣點(diǎn)相鄰0.1 m。

地震波正演模擬采用有限差分法求解動力學(xué)方程，根據(jù)設(shè)定的時間增量步進(jìn)行計(jì)算。

1.2 數(shù)值模擬工況

表2為獨(dú)立樁基完整性測試模擬工況參數(shù)，無承臺的獨(dú)立樁基樁長均為30 m，樁徑均為1.0 m，樁身設(shè)置不同缺陷，不同缺陷對應(yīng)不同波速，樁孔距分別按0.3 m、1.0 m、2.0 m設(shè)置。表3為帶承臺樁基完整性測試模擬工況參數(shù)，帶承臺樁基樁長均為28.5 m，樁徑均為1 m，樁身設(shè)置不同缺陷，樁孔距分別按0.0 m、0.3 m、0.7 m設(shè)置，承臺波速、密度、泊松比與樁基相同。

表2 獨(dú)立樁基完整性測試模擬工況Table 2 Simulation conditions of independent pile foundation integrity test

表3 帶承臺樁基完整性測試模擬工況Table 3 Simulation conditions of integrity test of pile foundation with cap

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 缺陷類型的影響分析

本次模擬研究，樁身設(shè)置缺陷類型有：混凝土離析、夾泥、斷樁、樁底沉渣。圖3為當(dāng)樁孔距設(shè)置為0.3 m時，樁身設(shè)置不同缺陷情況下，旁孔法的數(shù)值模擬結(jié)果，給出了樁頂自由時缺陷樁的地震波時-深關(guān)系曲線計(jì)算結(jié)果。

圖3 樁孔距0.3 m時樁身不同缺陷模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of different defects of pile with 0.3 m pile-hole spacing

由圖3（a）～（d）的時-深曲線計(jì)算結(jié)果可知，地表、土體分層界面和樁端-土界面等位置波阻抗差異明顯，地震波多次發(fā)生反射和折射，可見反射波波寬和波形不一致現(xiàn)象。對于樁身混凝土分層、離析等輕微缺陷樁基，首波到達(dá)時間和擬合直線斜率在缺陷部位變化不明顯（圖（a））；當(dāng)樁身存在夾泥、斷樁之類缺陷時，因這些部位波阻抗變化十分顯著，首波可見較明顯的首波斜率減?。ㄊ撞ㄑ訒r）與反射波組同相軸間斷現(xiàn)象，但缺陷部位若靠近土層界面或樁端，受不同介質(zhì)界面反射和折射波疊加影響，該位置樁身缺陷無法直接根據(jù)時深關(guān)系進(jìn)行缺陷分析，但可比較缺陷段轉(zhuǎn)折線與無樁時分層土界面直線斜率，如二者有明顯差異可推測樁身可能存在缺陷（圖（b）、圖（c））；樁端底部沉渣對樁-土界面透射的地震波具有吸收作用，若樁端土體波速與其相差不大，很難通過時深關(guān)系數(shù)據(jù)判別該類缺陷（圖（d））。

因此，大直徑樁混凝土澆筑輕微缺陷對應(yīng)的地震波形特征與正常樁段差異不大，但樁身夾泥（縮徑）、斷樁等缺陷的首波波速、反射波組異常特征相對比較明顯，具備良好測試條件時可能將其識別。

2.2 樁-孔間距的影響分析

為分析樁-孔間距對單孔地震波法測試結(jié)果的影響，按樁孔間距分別為0.3 m、1.0 m、2.0 m進(jìn)行動力數(shù)值計(jì)算。圖4為缺陷類型為夾泥時，不同樁孔距離的旁孔法測試結(jié)果；圖5為缺陷類型為斷樁時，不同樁孔距離的旁孔法測試結(jié)果。

圖4 埋深為27～28 m的夾泥缺陷測試結(jié)果Fig.4 Simulation results of mud inclusion defects with buried depth of 27-28 m

圖5 埋深為27～28 m的斷樁缺陷測試結(jié)果Fig.5 Simulation results of broken pile defects with buried depth of 27-28 m

在樁身完整性判別方面，樁身混凝土存在離析等輕微缺陷時，首波到達(dá)時間、擬合直線斜率和反射波組未見異常，即便樁-孔間距為0.3 m也難以對缺陷進(jìn)行判別；對于樁身夾泥、斷樁類缺陷，因缺陷部位波阻抗差異較大，首波擬合直線斜率在可見較明顯的變化，并且淺部缺陷部位因具有更大的樁-土波速差異，異常信號特征比深部位置更加清晰，當(dāng)樁-孔間距超過1 m后首波突變特征變得不再明顯，僅能通過反射波組同相軸間斷特征大致進(jìn)行缺陷判別。為得到較好的樁身完整性判別效果，建議樁-孔測試間距不超過0.5 m。

圖6為完整樁基在不同樁孔間距條件下旁孔法的測試結(jié)果。對樁長判定，在樁頂豎向激振條件下，無缺陷樁基初至波時深關(guān)系包括樁身直線段、樁端土體直線段及兩直線間曲線段。樁-孔距越大，地震波首波分布受地層性質(zhì)的影響越明顯，樁底以上樁段與樁底以下土體的首波到達(dá)時間差逐漸減小，表現(xiàn)為上下段擬合直線斜率更加接近，曲線過渡段曲率半徑越大。樁-孔距在1.0 m以上時，樁長判別需保證足夠的測試孔深，否則推測樁底埋深要比實(shí)際情況偏小，測試精度也將有所降低。樁-孔距離小于1.0 m時，交點(diǎn)法結(jié)果推測樁長可滿足工程精度要求，樁-孔距超過1.0 m時采用平移法進(jìn)行深度修正也可得到與實(shí)際一致的結(jié)果。

圖6 完整樁基旁孔法測試結(jié)果Fig.6 Simulation results of complete pile foundation with parallel seismic method

2.3 上部承臺的影響分析

圖7為樁身斷裂時的地震波時—深關(guān)系曲線。樁-孔測試距離越小，樁身淺部3～4 m處斷樁缺陷波形異常特征越明顯，間距達(dá)0.7 m時缺陷段影響深度最大，埋深3～5 m均可見初至?xí)r間擬合直線延遲，但直線斜率變化程度不如小間距時明顯。當(dāng)探測孔位于樁身中部時，承臺對初至直達(dá)波形基本無影響，但樁-承臺界面上下反射波組可見較明顯的豎向錯斷現(xiàn)象；當(dāng)探測孔位于樁身外部時，不論鉆孔是否穿過承臺，樁-承臺結(jié)合部位地震波均可見初至波斜率變化，且鉆孔在承臺內(nèi)時直線突變更加顯著，同時反射波組也可見較明顯的斜向錯斷。

圖7 埋深為3～4 m的斷樁缺陷測試結(jié)果Fig.7 Simulation results of broken pile defects with buried depth of 3-4 m

圖8為樁身局部（單側(cè)）夾泥時的地震波時-深關(guān)系曲線。當(dāng)樁-孔測試間距為0.0 m時，由于鉆孔位于樁身中部，夾泥缺陷靠近樁身邊緣，從樁頂激發(fā)的地震波可繞過缺陷部位沿樁身自上而下傳遞，探測孔中接收的直達(dá)波和反射波信號很難反映樁側(cè)缺陷特征；當(dāng)樁-孔測試間距增加到0.3 m時，不論是初至波還是反射波，在樁身缺陷位置均可見較明顯的波異常特征，即初至波擬合直線斜率突變、反射波軸間斷現(xiàn)象；當(dāng)樁-孔測試間距進(jìn)一步增加到0.7 m時，樁身夾泥缺陷特征已不明顯，很難進(jìn)行缺陷判識。

圖8 埋深為15～16 m的局部夾泥缺陷測試結(jié)果Fig.8 Simulation results of mud inclusion defects with buried depth of 15-16 m

圖9為樁-承臺連接不良時計(jì)算的地震波時-深關(guān)系曲線。當(dāng)樁-孔測試間距為0.0 m時，雖然頂部0.2 m厚混凝土澆筑質(zhì)量相對較差，在該位置附近仍未見到較明顯的初至波延遲現(xiàn)象（擬合直線斜率未發(fā)生變化），這與缺陷段長度較短且波速降低不多有關(guān)；當(dāng)樁-孔測試間距增加到0.3 m和0.7 m時，初至波在承臺-樁頂界面以下可見斜率變化，但很難區(qū)分波速下降是由缺陷還是樁周土引起，但承臺-樁界面位置能夠看到反射波斜向錯斷現(xiàn)象。因此，單孔地震波法對承臺-樁基連接質(zhì)量缺陷無法進(jìn)行有效探測和識別，此時可采用對波阻抗變化更加敏感的孔內(nèi)管波法進(jìn)行缺陷探測。

圖9 埋深為1.5～1.7 m的樁-承臺連接不良缺陷測試結(jié)果Fig.9 Simulation results of poor connection between pile and cap with buried depth of 1.5-1.7 m

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬方法對樁頂自由樁基和帶承臺樁基進(jìn)行了動力分析，得到了以下結(jié)論：

（1）旁孔法用于檢測既有樁基長度時樁-孔測試間距應(yīng)小于1 m。

（2）樁-孔距增大時，探測孔深度應(yīng)超過樁底埋深至少5倍樁徑才能保證樁長判別的準(zhǔn)確性。

（3）對與承臺連接的樁基，樁-孔測試距離越小，樁身淺部斷樁和夾泥缺陷波形異常特征越明顯。旁孔法對承臺-樁基連接質(zhì)量缺陷的探測和識別能力有限。