低應(yīng)變法樁身完整性檢測工程實(shí)例分析

朱小華，陳 瑾，譚 睿，王昌平

（1.湖北華祥建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，湖北 武漢 430034；2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心，湖北 武漢 430034）

0 引言

在我國樁基質(zhì)量檢測方法有多種，其中低應(yīng)變反射波法由于其基本原理簡單、快速無損、資料判讀直觀、準(zhǔn)確度較高而在樁基檢測中占據(jù)主流地位。但是如果操作者不能認(rèn)真對待檢測過程中的每一步驟，都可能造成誤判、漏判，以至造成工程隱患［1］。這就對基樁檢測人員提出了較高的要求，要求檢測人員不僅要有豐富的理論知識，還需具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 低應(yīng)變原理

低應(yīng)變法檢測的理論基礎(chǔ)是一維線彈性桿件模型，是一種理想化的數(shù)學(xué)模型。假定基樁作為均勻細(xì)長的線彈性桿件，當(dāng)樁頂受到縱向沖擊波時(shí)，根據(jù)應(yīng)力波沿樁身傳播的規(guī)律，當(dāng)樁身波阻抗有明顯變化時(shí)，就會有反射波回到樁頂引起基波振幅和相位發(fā)生變化。通過記錄分析儀接收到的波形信號數(shù)據(jù)，可以分析樁身的完整性，并判斷擴(kuò)徑、縮徑、斷裂、離析、夾泥、交接不良、樁底沉渣等多種樁身缺陷的類型［2］。

實(shí)際上儀器接收的樁頂速度響應(yīng)時(shí)程曲線反映的不僅是樁身完整性，更是多種因素綜合作用的結(jié)果。因此，低應(yīng)變反射波法只能對基樁的樁身完整性進(jìn)行定性的判定，而無法對缺陷的類型進(jìn)行描述，更不能確定缺陷的大小和準(zhǔn)確位置。在實(shí)際檢測過程中，應(yīng)力波傳播主要受到樁身材料阻尼和樁周土摩阻力的影響，除此之外還有樁側(cè)土阻尼、測試系統(tǒng)的幅頻與相頻響應(yīng)、測試人員的主觀判斷等一系列影響因素。因此當(dāng)?shù)蛻?yīng)變法檢測中出現(xiàn)共性問題或不能明確樁身完整性類別時(shí)，一定要慎重，千萬不要輕易下結(jié)論。要結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙、施工記錄、監(jiān)理日志等資料來進(jìn)行綜合分析；同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況采用靜載法、鉆芯法、高應(yīng)變法、開挖、孔內(nèi)攝像等方法進(jìn)行驗(yàn)證檢測。以下結(jié)合大直徑鉆（挖）孔灌注樁和突變地層中的預(yù)制樁兩個(gè)典型的工程案例，分析低應(yīng)變檢測過程中的注意事項(xiàng)以及樁身完整性的判定依據(jù)，總結(jié)避免誤判的檢測經(jīng)驗(yàn)，為類似檢測項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

2 大直徑鉆（挖）孔灌注樁檢測

2.1 工程概況

某山體修復(fù)工程抗滑樁，共設(shè)計(jì) 5 種抗滑樁型：其中 D 型抗滑樁采用混凝土護(hù)壁人工挖孔樁，共計(jì) 80 根，平均樁長約 18.0 m，樁截面尺寸為 2.0 m×3.0 m，嵌固深度≥6 m 且進(jìn)入砂巖≥4.5 m，樁身混凝士設(shè)計(jì)強(qiáng)度 C35。D 型抗滑樁結(jié)構(gòu)大樣圖如圖 1 所示。

圖1 D 型抗滑樁結(jié)構(gòu)大樣圖（單位：mm）

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，地層自上而下依次為雜填土、素填土混淤泥、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化石英砂巖。

2.2 現(xiàn)場檢測

采用低應(yīng)變法對 D 型樁進(jìn)行樁身完整性檢測，由于抗滑樁截面尺寸較大，依據(jù) JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》［3］規(guī)定，樁心對稱布置 4 個(gè)安裝傳感器的檢測點(diǎn)，激振點(diǎn)在樁中心位置，檢測點(diǎn)在距離樁中心 2/3 半徑位置。根據(jù)該工程樁的特點(diǎn)，現(xiàn)場檢測選錘時(shí)，根據(jù)低頻脈沖有利于檢測樁深部缺陷，高頻脈沖有利于檢測淺部缺陷的特點(diǎn)［4］，選擇激發(fā)能量大的力棒敲擊樁頭，同時(shí)選擇力錘敲擊進(jìn)行測試對比。

第一次采用力棒進(jìn)行敲擊，現(xiàn)場測試的樁頂速度響應(yīng)時(shí)程曲線如圖 2 所示。從圖 2 中可看出波形曲線產(chǎn)生了高頻干擾信號，無法對樁身完整性進(jìn)行有效分析。

圖2 D 6 # 樁實(shí)測信號曲線（第一次）

在以手錘敲擊的低應(yīng)變測試中，常出現(xiàn)一種與測量系統(tǒng)頻率特性無關(guān)的高頻干擾，在樁徑大而脈沖窄時(shí)尤其嚴(yán)重，且其幅值隨時(shí)間衰減較為緩慢，它對缺陷反射包括樁底反射都有較強(qiáng)的掩蓋作用。雖然可以通過模擬或數(shù)字濾波將樁頂接收到的高頻干擾波濾除，但大直徑樁在窄脈沖激勵(lì)時(shí)由于尺寸效應(yīng)引起的平截面假設(shè)的失效，從而背離一維理論所引起的誤差卻是在樁身中固有的。所以，在測大直徑樁時(shí)，應(yīng)適當(dāng)采用軟墊拓寬脈沖，也即機(jī)械濾波［5］。

第二次采用重錘且使用錘墊進(jìn)行敲擊，現(xiàn)場測試的樁頂速度響應(yīng)時(shí)程曲線如圖 3 所示，實(shí)測信號曲線樁底反射明顯，波形光滑，不含毛刺、振蕩波和干擾波，且包含了擴(kuò)頸反射波，波形最終回歸基線，表明測試效果較好。

圖3 D 6 # 樁實(shí)測信號曲線（第二次）

從實(shí)測信號曲線分析，并結(jié)合現(xiàn)場施工記錄（見表 1：D5#～D11# 樁施工記錄），D6# 樁擴(kuò)頸位置為樁頂以下 7.7 m 位置（混凝土強(qiáng)度等級為 C35，波速設(shè)置為 4 000 m/s），與施工記錄 7.25 m 基本吻合，據(jù)此波速推算樁長為 17.8 m 左右，短于施工記錄的 19.35 m。設(shè)計(jì)要求 D 型抗滑樁嵌入深度≥6 m 且進(jìn)入砂巖≥4.5 m，由反射波曲線可看到明顯的樁底反射，可判斷嵌固效果差。之后對 D6 井樁進(jìn)行鉆孔取芯，如圖 4 所示，發(fā)現(xiàn)樁底有 100 cm 的沉渣，驗(yàn)證了此抗滑樁嵌固效果差。

表1 D 5 #～D 11 # 樁施工記錄

圖4 D6# 樁鉆孔取芯

2.3 案例分析

從現(xiàn)場兩次檢測的效果來看，由于第二次增加了錘重，且使用錘墊（機(jī)械濾波）拓寬了激勵(lì)脈沖寬度，檢測效果好。一般來講激振能量與脈寬取決于激振工具的重量、外形尺寸、錘頭材料及打擊力度，因?yàn)檫@些參數(shù)決定力脈沖作用時(shí)間，作用時(shí)間越短促，其力脈沖時(shí)間越窄，所含的高頻成分越豐富；反之作用時(shí)間越長，其能量將主要集中在低頻范圍，認(rèn)識這一點(diǎn)是正確把握激振的關(guān)鍵［5］。因?yàn)榈蛻?yīng)變反射波法是建立在一維桿縱波理論基礎(chǔ)上的，本理論的前提條件是激勵(lì)脈沖的波長與被檢測樁的半徑之比足夠大（一般要求≥10），否則平截面假設(shè)不成立。所以，對大直徑樁，若敲擊力脈沖過窄，易產(chǎn)生高頻干擾信號，不利于樁身完整性的分析判定。以圖 5 為例進(jìn)行說明，對應(yīng)直徑 1.0 m，樁長 10 m 的灌注樁，激振力脈沖寬度為 0.5 ms 和 1.0 ms 的兩種理論計(jì)算反射波波形比較。顯然，寬脈沖力高頻干擾較少，窄脈沖力高頻干擾很大。所以，我們在檢測大直徑樁時(shí)應(yīng)注意，選用錘頭材質(zhì)較軟的材料，且增加錘重和加大錘墊厚度來增大敲擊力脈沖寬度，從而減小高頻干擾信號的影響。

圖5 不同敲擊力脈沖寬度的高頻干擾信號曲線

在大直徑樁低應(yīng)變法檢測時(shí)，還需注意以下幾個(gè)方面。

1）敲擊的位置?，F(xiàn)場進(jìn)行敲擊時(shí)，樁頂附近每一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度并不一致，尤其是大直徑樁，這種三維效應(yīng)更為明顯。根據(jù)理論計(jì)算和大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在樁中心敲擊，將傳感器安裝在 2/3 半徑處時(shí)檢測效果最為理想。

2）信號疊加平均。對于大直徑樁還存在不同測點(diǎn)信號重復(fù)性差的問題，不同的敲擊部位和傳感器安裝在不同位置，都會產(chǎn)生不同測試結(jié)果。可以采用多次信號平均，在一定程度上可以消除部分干擾。

3 突變地層中的預(yù)制樁檢測

3.1 工程概況

某小學(xué)教學(xué)樓項(xiàng)目，共設(shè)計(jì) PHC 樁 215 根，采用外徑 500 mm、壁厚 100 mm、長度 10 m 的 AB 型預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PHC 500 AB 100-10）。設(shè)計(jì)樁長 20 m，采用兩節(jié)管樁焊接而成。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，地層自上而下依次為粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、密實(shí)粉砂層，樁端持力層為粉砂層。

3.2 現(xiàn)場檢測

對 215 根 PHC 樁全部采用低應(yīng)變法進(jìn)行樁身完整性檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)有 84 根工程樁在樁頂以下 6.3～7.4 m 左右有輕微缺陷，現(xiàn)場檢測典型反射波曲線如圖 6 所示。抽取其中 3 根工程樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。

表2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖6 97# 樁實(shí)測信號曲線

在靜載試驗(yàn)結(jié)束之后，再次對 34 #、97 #、102 # 工程樁進(jìn)行低應(yīng)變法檢測，檢測結(jié)果與靜載試驗(yàn)之前基本沒有變化。

3.3 案例分析

同一工程有 39 % 的基樁出現(xiàn)與入射波同向的反射波，且位置基本相同，均在樁頂以下 6.3～7.4 m 左右。為查明原因，結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙、施工記錄、監(jiān)理日志等資料來進(jìn)行綜合分析：根據(jù)施工記錄及設(shè)計(jì)圖紙說明，樁長為 20 m，采用兩節(jié)管樁焊接而成，排除了缺陷部位是管樁接頭引起的可能性；施工時(shí)采用靜壓沉樁工藝，未采用錘擊沉樁，因此可以排除錘擊拉應(yīng)力引起樁身開裂的可能性；根據(jù)施工記錄和監(jiān)理日志表明，施工過程中并未出現(xiàn)任何異常情況，且經(jīng)靜載試驗(yàn)證明樁身豎向抗壓承載力滿足設(shè)計(jì)要求，也排除了靜壓沉樁時(shí)造成的樁身結(jié)構(gòu)破壞的可能性。考慮到本工程的重要性，為查明批量出現(xiàn)的同一位置處樁身缺陷問題，還采用了孔內(nèi)攝像技術(shù)對樁身進(jìn)行直觀檢測，但未發(fā)現(xiàn)樁身缺陷。

巖土工程勘察報(bào)告顯示，在樁頂以下 6.9 m 附近，樁側(cè)土層為黏土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土分層位置，最終確定在樁頂以下 6.3～7.4 m 左右出現(xiàn)的與入射波同向的反射波并非樁身缺陷，乃是由土層突變（由硬變軟）引起的。在早期的一些研究中，有觀點(diǎn)認(rèn)為樁的約束地基的軟硬對反應(yīng)波形的影響不大［6］。但之后大量的工程實(shí)踐證明樁周土層的模量大小直接影響應(yīng)力波在樁身的傳播過程。相同程度的缺陷，因樁周土性不同或缺陷埋深不同，在測試信號中其幅值大小各異［7］。

通過本案例可以得出，在樁基動(dòng)測中檢測人員往往注意到樁本身的子波疊加而引起的缺陷判斷，從而忽略了應(yīng)力波在樁中的傳播時(shí)不僅受樁身材料、剛度及缺陷的影響，同時(shí)受樁周土層的模量大小的影響。樁周土層的土力學(xué)性能越好，應(yīng)力波在樁周土層中的損耗就越大。在硬土層處將會產(chǎn)生類似擴(kuò)徑的反射波；在軟土層處將會產(chǎn)生類似縮徑的反射波［8］。如果不考慮樁周土層對所采集曲線的影響，不了解樁側(cè)的土質(zhì)情況，就可能造成誤判。

4 結(jié)論

低應(yīng)變動(dòng)測計(jì)算方法存在單條曲線多未知數(shù)的先天不足，在定量化的過程中單獨(dú)依靠低應(yīng)變方法本身是不可能實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)采用多種檢測和解釋方法［9］。最終的判定要綜合考慮多方面影響因素，才能排除誤判，給出準(zhǔn)確的檢測結(jié)論。通過以上兩個(gè)案例，總結(jié)出以下檢測經(jīng)驗(yàn)。

1）大直徑樁低應(yīng)變法檢測，應(yīng)增大敲擊力脈沖寬度，減小高頻干擾信號的影響。

2）大直徑樁低應(yīng)變法檢測，在樁中心敲擊，將傳感器安裝在 2/3 半徑處時(shí)檢測效果最佳。

3）大直徑樁低應(yīng)變法檢測，可采用信號疊加平均的處理方式，消除部分干擾。

4）土層由硬變軟，會產(chǎn)生與入射波同向的反射波；土層由軟變硬，會產(chǎn)生與入射波反向的反射波。

5）低應(yīng)變法檢測中出現(xiàn)共性問題或不能明確樁身完整性類別時(shí)，要結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙、施工記錄、監(jiān)理日志等資料來進(jìn)行綜合分析；同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況采用靜載法、鉆芯法、高應(yīng)變法、開挖、孔內(nèi)攝像等方法進(jìn)行驗(yàn)證檢測。Q