高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法在橋梁樁基檢測(cè)中的應(yīng)用分析研究

閆朋

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210000)

在橋梁樁基施工過程中，高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法不但可以對(duì)樁基承載力進(jìn)行分析，還可以對(duì)樁土阻力分布、樁身完整程度以及樁身阻抗變化等情況進(jìn)行分析。檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法準(zhǔn)確性影響因素進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制，使其檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高，并以實(shí)際施工情況為依據(jù)，對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行控制，達(dá)到控制橋梁樁基質(zhì)量的目的。

1 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法的檢測(cè)原理

高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法的原理主要為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論和一維波動(dòng)理論。在檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)使用重錘對(duì)樁頂進(jìn)行錘擊，產(chǎn)生高能量沖擊脈沖，并對(duì)樁周土動(dòng)阻力情況進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)，對(duì)樁基完整性進(jìn)行分析，得到樁基實(shí)際承載力[1]。到目前為止，曲線擬合法、阻尼系數(shù)法是應(yīng)用比較廣泛的高應(yīng)變動(dòng)側(cè)技術(shù)，前者主要以實(shí)際檢測(cè)曲線和理論曲線為依據(jù)，對(duì)樁土關(guān)系進(jìn)行擬合，當(dāng)參數(shù)取值合理時(shí)，兩條曲線越吻合，檢測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確；后者具有檢測(cè)方式簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，通常應(yīng)用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性與阻尼系數(shù)息息相關(guān)。

1.1 阻尼系數(shù)法

在使用阻尼系數(shù)法進(jìn)行檢測(cè)過程中，主要將樁基看成一維的連續(xù)、均勻彈性桿件，樁端速度和樁尖動(dòng)阻力值成正比，且全部動(dòng)阻力主要集中在樁尖位置，與此同時(shí)，樁側(cè)土主要為剛塑性結(jié)構(gòu)，因此其各處靜阻力極限值基本一致，檢測(cè)人員可以根據(jù)波動(dòng)方程對(duì)樁基承載力進(jìn)行計(jì)算。該種檢測(cè)方式具有操作簡(jiǎn)單，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)橋梁樁基進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)，但是為了保障其檢測(cè)準(zhǔn)確性，檢測(cè)人員應(yīng)以所在區(qū)域樁基靜動(dòng)載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)阻尼系數(shù)進(jìn)行確定，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果加以修正[2]。

1.2 波形曲線擬合法

在橋梁樁基施工時(shí)，波形曲線擬合法以樁承載力、樁周土側(cè)摩阻力、樁頂位移和速度以及樁頂力等變量為依據(jù)對(duì)樁土作用體系進(jìn)行分析，并以分析儀的速度信號(hào)和已知力基礎(chǔ)對(duì)土力學(xué)模型進(jìn)行分析。在使用波形曲線擬合法實(shí)施檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)以某一個(gè)參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，例如：將樁頂位移速度時(shí)程曲線作為邊界條件，對(duì)樁土模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，隨后以行波理論為基礎(chǔ)，對(duì)樁土進(jìn)行分析，得到變量（樁頂力等）的時(shí)程曲線，通過與測(cè)試曲線相對(duì)比，得到兩者的差異，并根據(jù)差異將對(duì)樁土模型進(jìn)行反演分析和調(diào)整，使測(cè)試信號(hào)和變量達(dá)到最佳擬合狀態(tài)。

2 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法準(zhǔn)確性的影響因素

2.1 錘擊能量和傳感器因素

在高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)過程中，若傳感器靈敏度系數(shù)誤差較大，會(huì)導(dǎo)致其樁基檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性受到影響。通常情況下，傳感器應(yīng)每隔一年檢測(cè)一次，為了控制其靈敏度系數(shù)，檢測(cè)人員應(yīng)以傳感器安裝使用次數(shù)為依據(jù)，對(duì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于部分檢測(cè)人員重視度較低，存在傳感器檢測(cè)周期較長(zhǎng)等問題，導(dǎo)致其使用受到影響，進(jìn)而產(chǎn)生樁基檢測(cè)準(zhǔn)確性較低的問題。與此同時(shí)，在錘擊過程中，根據(jù)相關(guān)規(guī)定可知，重錘重量通常應(yīng)為1%的單樁極限承載力，在對(duì)高承載力樁基進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，錘重應(yīng)不低于8 t，但是，在實(shí)際檢測(cè)過程中，部分單位為了滿足場(chǎng)地和成本的要求，所使用的錘重較小，導(dǎo)致錘擊能量不滿足要求，導(dǎo)致樁基檢測(cè)準(zhǔn)確性受到影響[3]。

2.2 檢測(cè)人員因素

高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法具有復(fù)雜性和系統(tǒng)性較高的特點(diǎn)，因此其對(duì)檢測(cè)人員要求相對(duì)較高。到目前為止，由于部分檢測(cè)人員對(duì)高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法邊界條件、樁基受力狀態(tài)以及載荷傳遞機(jī)理等理解存在誤差，且應(yīng)用過程缺乏靈活性，導(dǎo)致檢測(cè)過程出現(xiàn)傳感器安裝不科學(xué)、錘擊落距過大等問題，使檢測(cè)準(zhǔn)確性受到影響。與此同時(shí)，在對(duì)曲線擬合進(jìn)行測(cè)量時(shí)，檢測(cè)人員只關(guān)注擬合系數(shù)MQ 和樁基承載力，忽視了樁土體系實(shí)際情況，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)與樁基實(shí)際受力情況存在差異，不利于橋梁樁基質(zhì)量控制。

3 提高高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法準(zhǔn)確性的主要措施

3.1 提高高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法的科學(xué)性

在橋梁樁基建設(shè)時(shí)，為了使其施工質(zhì)量進(jìn)一步提高，檢測(cè)單位應(yīng)合理使用高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法，使樁基檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。在此過程中，檢測(cè)人員應(yīng)保障高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法的科學(xué)性，采用靜載荷試驗(yàn)和高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法相結(jié)合的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，使誤差進(jìn)一步降低。在實(shí)施檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)以載荷大小為依據(jù)，對(duì)小重量重錘進(jìn)行自由落錘測(cè)試，并對(duì)傳感器安裝準(zhǔn)確性進(jìn)行控制，達(dá)到控制測(cè)試貫入度的目的，保障其錘擊能量符合要求[4]。與此同時(shí)，當(dāng)樁基較長(zhǎng)、且樁徑較大時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)適當(dāng)增加錘擊的重量，采用重錘低擊的形式對(duì)樁基進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，使檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。當(dāng)橋梁樁基施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件較好但軟土底層較薄時(shí)，在對(duì)其實(shí)施高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)過程中，若樁端持力層巖石硬度較大，可能會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)誤差較大的情況，因此，檢測(cè)人員應(yīng)先使用阻力后延法和靜載試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，再進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，保障檢測(cè)準(zhǔn)確性。

3.2 提高檢測(cè)人員的綜合素質(zhì)

在高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)過程中，部分檢測(cè)人員存在綜合素質(zhì)較低的問題，使檢測(cè)準(zhǔn)確性受到影響。因此，在橋梁樁基檢測(cè)時(shí)，為了提高高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法應(yīng)用效果，檢測(cè)單位應(yīng)對(duì)檢測(cè)人員的綜合素質(zhì)進(jìn)行控制，確保其綜合素質(zhì)符合施工要求。在此過程中，檢測(cè)單位應(yīng)對(duì)檢測(cè)人員的證件進(jìn)行檢查，各檢測(cè)人員應(yīng)持證上崗。與此同時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)具備專業(yè)的檢測(cè)知識(shí)，規(guī)范應(yīng)用各個(gè)設(shè)備和儀器，并使用軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析[5]。除此之外，檢測(cè)單位應(yīng)對(duì)檢測(cè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其了解高應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢測(cè)法的應(yīng)用，且應(yīng)聘請(qǐng)專業(yè)的人員進(jìn)行指導(dǎo)，使檢測(cè)人員綜合素質(zhì)進(jìn)行一步提高，達(dá)到提高橋梁樁基檢測(cè)準(zhǔn)確性的目的。在此過程中，檢測(cè)人員應(yīng)采用合理的手段對(duì)工程地質(zhì)情況進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)地質(zhì)勘察報(bào)告中土層深度、黏性土稠度、砂土密實(shí)度以及貫入阻力分布等指標(biāo)準(zhǔn)確性進(jìn)行控制，為土參數(shù)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí)，檢測(cè)人員不但要掌握高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法的基本理論和知識(shí)，還應(yīng)對(duì)其波形進(jìn)行正確判斷，使檢測(cè)準(zhǔn)確性和效率進(jìn)一步提高。

4 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

在某特大橋建設(shè)過程中，為了保障其施工質(zhì)量，主要使用高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法對(duì)其5#樁基進(jìn)行檢測(cè)。該樁基為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為19.5 m，樁徑為1.0 m，設(shè)計(jì)形式為嵌巖樁，混凝土強(qiáng)度為C30，單樁最大承載力為4 020 kN。通過對(duì)樁基土層進(jìn)行分析可知，其主要為沖洪積相沉積層，地層主要為黏性土夾雜砂，因此，在樁基檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)土參數(shù)進(jìn)行分析，為后期施工奠定基礎(chǔ)。

4.2 檢測(cè)前準(zhǔn)備工作

4.2.1 樁頭處理

（1）若原樁頭頂面存在破碎層、軟弱層、浮漿或平整度較差時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行鑿平處理，并對(duì)樁帽進(jìn)行制作，確保高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)順利性。

（2）樁頂清理完整后，應(yīng)進(jìn)行接長(zhǎng)樁施工，接長(zhǎng)樁的截面尺寸、混凝土強(qiáng)度應(yīng)與原樁基一致，與此同時(shí)，還應(yīng)保障接縫處不存在冷縫。

（3）施工單位應(yīng)對(duì)原樁身主筋進(jìn)行加長(zhǎng)處理，使其到達(dá)接長(zhǎng)樁頂部標(biāo)高下30～50 mm的位置，且應(yīng)保障各主筋位于同一高度。

（4）施工單位應(yīng)將φ10 鋼筋網(wǎng)片設(shè)置在接長(zhǎng)樁頂部，網(wǎng)片層數(shù)應(yīng)大于3 層，各層之間的距離應(yīng)為100 mm，最上層鋼筋網(wǎng)與樁帽頂之間的距離應(yīng)為50～100 mm，達(dá)到保護(hù)樁頂混凝土的目的。

（5）在接長(zhǎng)樁施工時(shí)，施工單位應(yīng)將加密箍筋設(shè)置在接長(zhǎng)樁中，且各箍筋之間的距離應(yīng)小于100 mm。與此同時(shí)，接長(zhǎng)樁的中軸線應(yīng)與原樁保持一致，混凝土澆筑完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行抹平處理。

（6）為了使接長(zhǎng)樁養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)一步降低，施工單位應(yīng)將早強(qiáng)劑加入混凝土中，施工后的接長(zhǎng)樁應(yīng)無蜂窩、骨料均勻。

4.2.2 傳感器安裝

（1）在檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)將兩只加速度傳感器和兩只應(yīng)變傳感器安裝在樁頂下方，控制偏心錘擊的影響。

（2）為了提高實(shí)測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性，在傳感器安裝時(shí)，應(yīng)對(duì)其與樁頂下方的距離進(jìn)行控制，通常應(yīng)大于1.2倍樁徑。如果傳感器的安裝位置位于接長(zhǎng)樁，其與連接面的距離應(yīng)大于1倍樁徑。

（3）在傳感器安裝過程中，檢測(cè)人員應(yīng)保障安裝位置樁身的光滑度和平整度，同時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)加速度傳感器和應(yīng)變傳感器的中心進(jìn)行控制，使其位于同一水平面上，高度差應(yīng)小于10 cm，且傳感器應(yīng)與樁身表面緊貼。在傳感器固定過程中，如果固定工具為膨脹螺栓，檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)螺栓孔軸線進(jìn)行控制，保障其垂直于樁身軸線，且傳感器安裝方向應(yīng)平行于樁身軸線[6]。

4.2.3 錘重及落高選擇

在高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)過程中，其設(shè)備包括傳感器、動(dòng)測(cè)儀、起吊設(shè)備、導(dǎo)向架以及重錘等。在錘擊時(shí)，應(yīng)以重錘低擊為原則，該橋梁樁基所使用的重錘為16 t，落距為0.65 m，樁頭力為1.5倍的設(shè)計(jì)工作荷載。

4.3 高應(yīng)變承載力檢測(cè)過程

在對(duì)該橋梁樁基承載力進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，所使用的PDA打樁分析儀產(chǎn)地為美國，并配備柴油打樁機(jī)，規(guī)格為4 t，錘重為40 kN。當(dāng)樁徑為35 cm 時(shí)，起重高度為1.5 m；當(dāng)樁徑為45 cm 時(shí)，起重高度為2.5 m。為了使檢測(cè)效果進(jìn)一步提高，檢測(cè)人員應(yīng)在樁頭鋪設(shè)膠皮墊，厚度為5 cm。通過對(duì)5 根試樁實(shí)施檢驗(yàn)可知，試樁曲線形態(tài)和樁周土激發(fā)程度較好。

在對(duì)高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)資料進(jìn)行整理過程中，所使用的軟件為CAPWAP擬合軟件，通過載荷試驗(yàn)曲線擬合分析（荷載-位移）、樁周土對(duì)樁尖阻力值計(jì)算分析，得到分析結(jié)果具體見表1。通過對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，樁徑為35 cm時(shí)，其單樁極限承載力均值為1 596.5 kN，樁端摩阻力占比為14.8%，樁側(cè)摩阻力占比為85.1%；樁徑為45 cm 時(shí)，其單樁極限承載力均值為5 264.8 kN，樁端摩阻力占比為17.3%，樁側(cè)摩阻力占比為82.7%。

表1 荷載試驗(yàn)擬合及樁周土對(duì)樁尖的阻力值分析結(jié)果

4.4 豎向抗壓靜載試驗(yàn)

檢測(cè)人員應(yīng)以規(guī)范為依據(jù)，使用慢速維持載荷法對(duì)樁基進(jìn)行豎向靜載試驗(yàn)，并以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)橋梁樁基高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在豎向靜載試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)逐級(jí)加載，在加載時(shí)，當(dāng)上級(jí)荷載穩(wěn)定后，才能對(duì)繼續(xù)加載，試樁被破壞后，才能分級(jí)進(jìn)行卸載。加載過程主要使用自動(dòng)加載系統(tǒng)，首級(jí)荷載大小為400～500 kN，后續(xù)加載量為200～400 kN。

通過單樁豎向靜載試驗(yàn)可知單樁承載力極限值，結(jié)果如表2 所示。在通常情況下，檢測(cè)人員可以根據(jù)基礎(chǔ)底面和地面樁體側(cè)摩阻力值對(duì)基底面以上側(cè)向摩阻力進(jìn)行分析，其中，當(dāng)樁徑為35 cm 時(shí)，基礎(chǔ)埋深為3.5 m；當(dāng)樁徑為45 cm時(shí)，基礎(chǔ)埋深為6.5 m。

表2 單樁承載力極限值表

通過對(duì)單樁豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)所得到的總阻力結(jié)果值相對(duì)較高，其余項(xiàng)目?jī)烧叩臋z測(cè)結(jié)果基本一致。產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是，在2 根豎向靜載試驗(yàn)樁中，1 根樁身混凝土結(jié)構(gòu)被破壞，且存在極限荷載較低的問題，另一根未被破壞?？傊?，根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果可知，高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法所得到的檢測(cè)結(jié)果與靜載試驗(yàn)結(jié)果基本一致，由此可知，該檢測(cè)技術(shù)可靠性較高。

5 結(jié)語

綜上所述，在橋梁施工過程中，樁基施工質(zhì)量檢測(cè)具有重要意義。在使用高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法對(duì)橋梁樁基進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，所使用的技術(shù)主要包括信號(hào)處理、數(shù)學(xué)和力學(xué)理論以及振動(dòng)測(cè)試手段等，該種檢測(cè)方式具有檢測(cè)簡(jiǎn)單便捷、費(fèi)用低、效率高等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)可知，高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法主要適應(yīng)于樁身截面和材質(zhì)相對(duì)均勻的小直徑樁的檢驗(yàn)過程中，在大直徑灌注樁中適用性較差。在檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)外界干擾、儀器性能、傳感器安裝、錘擊能、錘擊位置以及樁頭處理等因素進(jìn)行控制，使檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。與此同時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)以實(shí)際工程為依據(jù)，選擇合理的檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)，并運(yùn)用單樁豎向靜載試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保其檢測(cè)準(zhǔn)確性，為后續(xù)施工奠定基礎(chǔ)。