低應(yīng)變法和高應(yīng)變法在樁基檢測中的結(jié)合應(yīng)用研究

李斌 初立波

摘要：介紹樁基檢測的主要內(nèi)容、檢測和分析方法，闡述低應(yīng)變法和高應(yīng)變法的基本原理及主要特點(diǎn)，通過兩個(gè)工程實(shí)例，驗(yàn)證了低應(yīng)變法和高應(yīng)變法結(jié)合應(yīng)用對檢測結(jié)果所產(chǎn)生的優(yōu)越性，可供施工技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：低應(yīng)變法；高應(yīng)變法；樁基檢測；結(jié)合應(yīng)用

0? ?引言

樁基是建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁身的完整性與承載力對建筑物的質(zhì)量有重大影響。為確保樁基質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，施工技術(shù)人員需采用有效檢測方法檢測樁基的承載力及完整性。樁基的檢測方法主要包括低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、靜載試驗(yàn)、鉆芯檢測法、聲波透射法等，本文主要研究低應(yīng)變法和高應(yīng)變法及其結(jié)合應(yīng)用。

1? ?樁基檢測簡述

1.1? ?樁基檢測主要內(nèi)容及方法

1.1.1? ?樁基檢測主要內(nèi)容

樁基檢測的核心內(nèi)容是測定樁基承載力與樁身完整性，其中承載力檢測期間需準(zhǔn)確計(jì)算承載力與加荷速率，通過動(dòng)荷載試驗(yàn)與靜荷載試驗(yàn)，測得荷載速率與工程實(shí)際加荷速率近似，樁基承載力試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際承載力近似，因此部分工程將靜荷載試驗(yàn)作為評估樁基承載力的主要方法。

樁基完整性檢測中，需驗(yàn)證樁身完整性，并確定缺陷位置與缺陷類型，以便對有明顯缺陷或嚴(yán)重缺陷的基樁及時(shí)采取補(bǔ)救措施，以消除安全隱患。

1.1.2? ?樁基檢測的主要方法

低應(yīng)變法為樁基完整性檢測的主要方法，檢測時(shí)需在樁基頂部區(qū)域施加激振能量，使樁身周邊形成微振動(dòng)，通過對樁頂區(qū)域反射波振動(dòng)加速度及振動(dòng)速度測量，可準(zhǔn)確判斷樁基完整性。

高應(yīng)變法也屬于測定基樁承載力和檢測樁基完整性的常用方法。檢測時(shí)，采用重錘低擊對樁頂部區(qū)域施加沖擊力，樁身在沖擊力作用下可彈塑性縱向位移，樁底與樁身可與周邊介質(zhì)產(chǎn)生相對形變及位移，進(jìn)而充分激發(fā)出樁基的側(cè)阻力與端阻力[1]。

1.2? ?檢測結(jié)果分析方法

基樁承載力及樁身完整性是樁基檢測的主要項(xiàng)目。依據(jù)檢測結(jié)果可將樁身完整性類別劃分為4類：Ⅰ類樁為樁身完整；Ⅱ類樁為樁身有輕微缺陷，不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮；Ⅲ類樁為樁身有明顯缺陷，對樁身結(jié)構(gòu)承載力有一定影響；Ⅳ類樁為樁身存在嚴(yán)重缺陷。

樁基承載力檢測期間，需重點(diǎn)分析承載力相關(guān)特征參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。為提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢測技術(shù)人員應(yīng)綜合運(yùn)用多種檢測方法完成相互補(bǔ)充、驗(yàn)證，同步評估樁基承載力與樁身完整性，以確保建筑結(jié)構(gòu)安全。

2? ?低應(yīng)變法的基本原理及主要特點(diǎn)

2.1? ?基本原理

低應(yīng)變法源自應(yīng)力波理論，檢測過程中需在樁頭表面區(qū)域安裝速度傳感器，以接收樁基頂部激發(fā)樁身形成的應(yīng)力波信號[2]。檢測技術(shù)人員通過在樁頂施加激振信號產(chǎn)生的應(yīng)力波，沿樁身傳播，遇到不連續(xù)界面（如蜂窩、夾泥、離析、斷裂、空洞等缺陷）及樁底面時(shí)，產(chǎn)生反射波，以實(shí)測樁頂加速度或速度響應(yīng)時(shí)域曲線。

依據(jù)一維波動(dòng)理論對反射波的傳播時(shí)間、幅值和波形特征加以計(jì)算分析，可了解信號的頻率與時(shí)間。通過對波形圖的觀察分析，可確定反射波與入射波的相位、波形、振幅與頻率，也可確定反射波到達(dá)的具體時(shí)間。結(jié)合工程樁基施工資料及施工區(qū)域的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)資料，可準(zhǔn)確判斷樁身結(jié)構(gòu)是否完整及樁長信息。也可結(jié)合應(yīng)力波波速及成樁時(shí)間，確定樁身混凝土質(zhì)量[3]。

2.2? ?主要特點(diǎn)

2.2.1? ?主要優(yōu)勢

實(shí)施低應(yīng)變法檢測時(shí)，檢測技術(shù)人員只需使用電磁振動(dòng)器、手錘、鐵球等錘擊樁基頂部。其錘擊能量很小，樁周土和樁端土只發(fā)生線彈性變形。該檢測方法操作簡便，耗時(shí)較短，費(fèi)用低廉，檢測范圍較大，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.2.2? ?主要作用

低應(yīng)變法屬于半直接檢測法，可檢測評估樁身完整性，確定樁身缺陷位置及缺陷嚴(yán)重程度。利用低應(yīng)變法檢測時(shí)，檢測技術(shù)人員可依據(jù)工程相關(guān)資料估算樁身長度，判斷混凝土強(qiáng)度等級及缺陷類型，進(jìn)而制定適宜的補(bǔ)救方案，這樣更有助于改善工程整體質(zhì)量[4]。

2.2.3? ?適用范圍

低應(yīng)變法具有特定的適用范圍，其適用于對大直徑現(xiàn)澆薄壁混凝土管樁、類似于H型鋼制異形樁以及薄壁鋼管樁樁身的完整性檢測。若激勵(lì)響應(yīng)在樁頂面接收時(shí)，除了使用可激發(fā)近似一維波動(dòng)的激振裝置之外，不建議采用低應(yīng)變法。如果樁體過長，采用低應(yīng)變法檢測可產(chǎn)生測量不到位等問題。因此，檢測技術(shù)人員需結(jié)合具體工程實(shí)際及其特點(diǎn)，選擇合適的檢測方法。

2.3? ?不同類型低應(yīng)變法的應(yīng)用分析

低應(yīng)變法主要包括反射波法、動(dòng)力參數(shù)法、機(jī)械阻抗法、共振法等類型。

2.3.1? ?反射波法

反射波法（也叫瞬態(tài)時(shí)域分析法）采用瞬態(tài)沖擊方式，它通過實(shí)測樁頂加速度或速度響應(yīng)時(shí)域曲線，依據(jù)一維波動(dòng)理論分析來判定基樁的樁身完整性。該方法適用于檢測混凝土樁樁身的完整性，判定樁身缺陷的位置及大致程度。反射波法是目前國內(nèi)樁基工程采用的檢測樁身結(jié)構(gòu)完整性的最常用方法。

2.3.2? ?動(dòng)力參數(shù)法

動(dòng)力參數(shù)法主要通過敲擊的方式測定樁基自振頻率，也可測定樁基的初速度，通過換算獲取樁基承載力及抗壓剛度系數(shù)。動(dòng)力參數(shù)法可應(yīng)用于測定土層為摩擦樁提供的承載力，通過對衰減時(shí)間、振幅及波形的分析，可判斷樁基的完整性。但密實(shí)鵝卵石或基巖上方承樁，則不建議采用此種方案[5]。

2.3.3? ?機(jī)械阻抗法

機(jī)械阻抗法采用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的模式，利用瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)測試的方法，可在檢測現(xiàn)場獲取相關(guān)曲線，進(jìn)而準(zhǔn)確評估樁基的完整性，需要注意的是，分段預(yù)制樁不建議采用此種方法。

2.3.4? ?共振法

共振法主要原理是通過強(qiáng)迫振動(dòng)的模式引導(dǎo)樁基共振，通過其共振頻率曲線可評估樁身質(zhì)量，確定缺陷位置及推算承載力。該方法可解決動(dòng)測方法存在的缺陷，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3? ?高應(yīng)變法的基本原理及主要特點(diǎn)

3.1? ?基本原理

高應(yīng)變法檢測樁基過程中，需采用重錘低擊的方式對樁基頂部實(shí)施沖擊，使樁與土產(chǎn)生足夠的相對位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力。通過安裝在樁頂下部即樁身上的量測力和加速度傳感器，接受樁的應(yīng)力波及速度波信號。檢測技術(shù)人員應(yīng)用應(yīng)力波理論分析處理速度與力時(shí)程曲線，可分析評價(jià)樁身完整性，確定單樁豎向抗壓承載力等參數(shù)。

與低應(yīng)變法一樣，高應(yīng)變法也是以一維波動(dòng)理論為依據(jù)。檢測時(shí)利用瞬間形成的巨大沖擊力可激發(fā)樁土對樁基的阻力，通過對樁頂截面力與速度信號的測定及曲線計(jì)算分析，可獲取樁基土阻力分布、樁基Q-S曲線及樁身質(zhì)量參數(shù)[6]。

3.2? ?主要特點(diǎn)

3.2.1? ?主要作用

實(shí)施高應(yīng)變法檢測時(shí)，檢測技術(shù)人員需利用重錘擊打樁基頂部，充分利用樁端與樁側(cè)阻力作用，使樁基產(chǎn)生近似靜荷載試樁沉降級別的移變量，進(jìn)而獲取準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。使用高應(yīng)變法進(jìn)行檢測，可準(zhǔn)確評估單樁豎向抗壓承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)對抗壓靜載荷試驗(yàn)的有效補(bǔ)充[7]。

3.2.2? ?主要優(yōu)勢

高應(yīng)變法主要優(yōu)勢是激勵(lì)能量較大、檢測深度較深，可準(zhǔn)確檢測預(yù)制樁接頭部位的缺陷及整合型裂縫，可準(zhǔn)確測定樁基豎向抗壓承載力等指標(biāo)，可為檢測技術(shù)人員判斷樁基缺陷程度提供參考依據(jù)[8]。

打入式預(yù)制樁是高應(yīng)變檢測的基本方式。如果預(yù)制樁材質(zhì)均勻、截面恒定，采用高應(yīng)變法檢測可直接獲取應(yīng)力波測量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確測定樁身完整性參數(shù)、樁身應(yīng)力及樁錘傳遞能量，便于檢測技術(shù)人員準(zhǔn)確控制打樁期間樁身應(yīng)力。此外，試打樁和打樁監(jiān)控是高應(yīng)變法檢測的特有功能，是靜載試驗(yàn)等其他方法無法做到的。

3.2.3? ?不足之處

樁基完整性及單樁豎向抗壓承載力檢測中應(yīng)用高應(yīng)變法，具有較高的可靠性。但是與低應(yīng)變法相比，其檢測耗時(shí)較長、檢測費(fèi)用偏高。對于大直徑擴(kuò)底樁和預(yù)估荷載-沉降曲線，呈緩變型特征的大直徑灌注樁，不宜采用高應(yīng)變法進(jìn)行豎向抗壓承載力檢測。

3.3? ?波動(dòng)方程法

波動(dòng)方程法包括CASE法、曲線擬合法（CAPWAP）等2種具體方法，前者為簡化的分析方法，后者為相對嚴(yán)密的分析方法。目前高應(yīng)變檢測大都采用波動(dòng)方程法。

實(shí)施波動(dòng)方程法時(shí)，采用自由落錘（錘擊）激振方式。通過現(xiàn)場實(shí)測樁頂加速度隨時(shí)間變化曲線，以及樁頂應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，預(yù)估單樁豎向極限承載力，檢驗(yàn)樁身質(zhì)量及樁身缺陷位置，判定樁身的完整性。通過監(jiān)測預(yù)制混凝土樁或鋼樁打樁應(yīng)力，測定有效錘擊能力和錘擊能量傳遞比，為核定沉樁工藝參數(shù)、確定樁型和樁長提供依據(jù)。

4? ?兩種應(yīng)變法結(jié)合應(yīng)用實(shí)例

4.1? ?實(shí)例1

某工廠廠房采用機(jī)械旋挖灌注樁為樁基結(jié)構(gòu)，5號樁樁徑測定為920mm，樁基長度為15.38m，中風(fēng)化砂礫巖為樁基持力層，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C25，設(shè)計(jì)方案中單樁豎向抗壓承載力特征值為1250kN。工廠廠房所在區(qū)域地質(zhì)條件為9.50～13.50m為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，6.20～9.50m為粉砂，4.40～6.20m為粉質(zhì)黏土，2.00～4.40m為圓礫，0.70～2.00m為粉質(zhì)黏土，0.00m～0.70m為素填土。

檢測技術(shù)人員采用樁基動(dòng)測儀進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力檢測，通過傳感器接收反射波的相關(guān)參數(shù)，操作中配合采用橡皮墊，以提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。高變應(yīng)檢測采用樁基動(dòng)測儀及配套軟件輔助完成，檢測過程中傳感器安裝在樁頂面以下1.50m樁側(cè)表面，設(shè)定錘擊落距為1.0m，錘的質(zhì)量為3.0t。

檢測技術(shù)人員通過檢測，獲取5號樁低應(yīng)變與高應(yīng)變實(shí)測曲線。通過對曲線的分析可知，5號樁低應(yīng)變檢測結(jié)果顯示，樁身波速值為3228m/s，基樁實(shí)測時(shí)域信號曲線和樁身混凝土波速未見異常，樁基完整無缺陷。5號樁高應(yīng)變法檢測結(jié)果顯示，樁身波速值為3520m/s，設(shè)定阻尼系數(shù)為0.3，樁身材料質(zhì)量密度為2.40t/m3。采用實(shí)測曲線擬合法的計(jì)算結(jié)果顯示，該樁單樁豎向抗壓承載力檢測值為2684kN，單樁豎向抗壓承載力特征值為1342kN，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2? ?實(shí)例2

某工廠廠房采用人工挖孔灌注樁為樁基結(jié)構(gòu)，3號樁樁徑測定為890mm，樁基長度為14.36m，中風(fēng)化玄武巖為樁基持力層，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C25，設(shè)計(jì)方案中單樁豎向抗壓承載力特征值為1310kN。工廠廠房所在區(qū)域地質(zhì)條件為9.90～13.10m為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，3.80～9.90m為黏土，1.20～3.80m為含砂礫黏土0.00～1.20m為素填土。

檢測技術(shù)人員采用樁基動(dòng)測儀進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力檢測，通過傳感器接收反射波的相關(guān)參數(shù)，操作中配合采用橡皮墊，以提高檢測結(jié)果準(zhǔn)確性。高變應(yīng)檢測采用樁基動(dòng)測儀及配套軟件輔助完成。檢傳感器安裝在樁頂面以下1.50m樁側(cè)表面，設(shè)定錘擊落距為1.0m，錘的質(zhì)量為4.5t。

檢測技術(shù)人員通過檢測，獲取3號樁低應(yīng)變與高應(yīng)變實(shí)測曲線。通過對曲線的分析可知，3號樁低應(yīng)變檢測結(jié)果顯示，樁身波速值為3219m/s，基樁實(shí)測時(shí)域信號曲線和樁身混凝土波速未見異常，樁基完整無缺陷。5號樁高應(yīng)變法檢測結(jié)果顯示，樁身波速為3530m/s，設(shè)定阻尼系數(shù)為0.3，樁身材料質(zhì)量密度為2.40t/m3。采用實(shí)測曲線擬合法的計(jì)算結(jié)果顯示，該樁單樁豎向抗壓承載力檢測值為2796kN，單樁豎向抗壓承載力特征值為1398kN，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5? ?結(jié)語

樁基質(zhì)量對工程質(zhì)量和安全產(chǎn)生的較大影響，為此需采取適宜的檢測方法對樁基質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢測。低應(yīng)變法與高應(yīng)變法均屬于樁基檢測的有效方法，雖然均以一維波動(dòng)理論為依據(jù)，但是二者原理及檢測方法存在較大差異。檢測技術(shù)人員應(yīng)采用低應(yīng)變法檢測樁基的完整性，采用高應(yīng)變法檢測樁基的承載力，二者結(jié)合使用，可確保樁基質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

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