动刚度法在既有桥梁桩基础状态评估中的应用研究

2014-05-04李权福王振卿刘建磊

铁道建筑 2014年5期

李权福，王振卿，刘建磊

(1.神华铁路货车运输有限公司，北京 100011;2.中铁十五局集团公司，河南洛阳 471013;3.中国铁道科学研究院，北京 100081)

桩基础具有承载能力高、施工成本低、建筑物稳定性好的特点，随着新建结构向高耸、大跨方向发展，桩基础的使用比例正逐步增大，目前在役的建(构)筑物大部分均采用桩基础。经过几十年的不断发展，目前针对新建结构基桩检测的方法主要有静载试验、高应变检测、低应变检测、超声波检测及取芯检测五种方法，前两种方法主要对基桩承载能力进行评定，后三种方法则侧重于基桩完整性检测。由于各种方法的原理及检测指标各异，导致上述各种检测方法均有一定的适用范围，但其检测结果在不同范围内均可满足基桩质量检测的需求，我国目前所有新建结构基桩至少需要采用上述方法中的一种方法进行质量检测。

由于早期工程建设质量管理不完善，同时出于成本方面的考虑，部分基桩在建设时期未开展质量检测工作，基桩质量处于未知的状态。随着工业化和城市化进程的加速推进，交通量呈现大幅增长，车辆荷载及轴重出现增大的趋势，部分高速公路桥梁桩基础在运营多年后出现了显著沉降(个别基础沉降量达10 cm左右)，既严重影响了高速公路的行车舒适性，也为高速公路的正常运营带来了严重的安全隐患。为解决上述问题，需要在保持正常运营的条件下对这些基桩的质量及承载能力进行检测，以便对其工作状态进行综合评定，并制定相应的处治措施以确保运营安全。

1 检测方法

上世纪70～90年代，为了能够方便快捷地检验基桩承载力，业内相关人员进行了大量的研究工作，主要是采用动测法，诸如动力参数法、共振法、机械阻抗法等来获取结构的动力参数。动测法的基本原理为根据实测冲击力及振动信号的关系，分析基桩体系的动刚度，并通过静载试验实测承载力，建立基桩动刚度与实测承载力之间的关系——动静对比系数，进而得到用动刚度推算承载力的计算公式

式中:Rk为基桩承载力，kN;Kd为动刚度，kN/mm;Sa为容许沉降量，mm;η为动静对比系数。

由于不同地区地质条件变化较大，基桩特征千差万别，检测人员在动静对比系数的取值上存在较大分歧，既便是同类桩基础在相同地质条件下动刚度值明显偏小(基桩承载力偏小)的现象也屡屡发生。加上早期振动测试分析能力较弱，利用动刚度推算基桩承载力的公式未能够得到大面积推广和应用。基于这一特点，检测人员可通过一批基桩的动刚度测试结果筛选出承载力偏低的基桩，结合低应变法和取芯法测试基桩质量，从承载力和桩身质量两方面评估基桩使用状态。

瞬态激振机械阻抗法为基桩动力测试中常用的一种无损检测方法，其激振力介于低应变法与高应变法之间。采用瞬态激振机械阻抗法分析桩土体系共同作用下的纵向振动时需对桩土体系的力学模型作如下假定:

1)假定基桩是埋入土中的一维弹性直杆。采用激振方式进行基桩检测时，在桩顶施加的激振力虽有大小之分，但桩土体系可认为是在弹性受力状态下工作，这保证了振动理论分析的主要假定条件，所以其动力测试结果是比较稳定的，大量的实测结果也证实了这点。

2)假定桩身材质均匀、各向同性，横截面在振动过程中保持平面，横向变形忽略不计。

3)土对桩的约束简化为线性弹簧及与振动速度有关的阻尼器，并以平行方式耦合。

4)桩土体系是一个时不变线性系统，受力响应服从虎克定律和遵守叠加原理。

研究一个系统的机械导纳特性(传递函数)，基本前提是这个系统必须是一个时不变线性系统，就是说这个系统的基本特性不随时间而改变，且其输入和输出符合叠加原理。桩土体系在低量级的冲击激励条件下，产生的振动量级极其微小，属于微幅振动，桩土的特性参数在短时间不易改变，所以激振力冲击法满足瞬态激振机械阻抗法对振动体系的基本要求。

任何线性结构系统在确定的动态力(输入)作用下，必定显示确定的动态响应(输出)，瞬态导纳函数确定了输入和输出之间的函数关系，导纳函数表征了所测体系的动态特性，这是研究结构动力特性的重要方法之一。其表达式

式中，H(f)为瞬态导纳函数，V(f)为振动速度函数，F(f)为激振力函数。

瞬态激振机械阻抗法对桩土体系的简化:对桩土体系作振动分析时，视基桩为埋在土中的弹性直杆，其为一个无穷多自由度的杆件系统。但大多数情况下基桩长细比较小(＜40)，桩周土刚度往往远小于基桩本身的刚度，以摩擦为主和桩尖支承共同作用的端承摩擦桩就是此类情况，这时桩周土体的支承作用包括桩底的压缩支承(桩底反力)、桩侧土的剪切支承(侧摩阻力)和阻尼作用，这些作用可简化用桩底弹簧和阻尼器来表示。当桩顶受到低频脉冲激励时，所测桩头动力响应就是桩土体系的支撑反力、侧摩阻力以及桩的几何特性的综合反映(图1)。通过测试软件进行分析计算，绘制出导纳(V/F)随频率f的变化曲线——导纳函数曲线(图2)。该曲线的低频段为一近似直线段，低频直线段斜率的倒数为桩土体系的综合动刚度

图1 瞬态激振机械阻抗法测试示意

图2 典型导纳—频率曲线

式中:Kd为动刚度，kN/mm;f为频率，Hz;V为振动速度，mm/s;F为激振力，kN。

实际测试时，采用一定的激振力对桩顶进行冲击，通过安装于桩顶位置的拾振器采集竖向振动信号，通过传递函数分析得到基桩体系的动刚度值。

2 检测示例

为了验证瞬态激振机械阻抗法的测试效果，试验人员选取了13根摩擦端承桩进行了动刚度测试，激振质量为50 kg，下落高度为70 cm，基桩结构形式如图3～图5所示。

基桩动刚度测试结果与承载力关系如图6所示。从图6可以看出:

1)13根基桩动刚度测试结果与承载力近似呈线性变化，随承载力的增加，基桩动刚度也相应增加。

2)图中两根基桩动刚度测试结果偏离正常规律，动刚度明显较同类型基桩偏低，从承载力及验证情况来看，这两根桩承载力偏低、小于设计容许承载力，不满足设计要求，类型2中B1桩取芯法结果证明该基桩桩身存在明显缺陷。

3)动刚度测试结果验证了动刚度与承载力之间的比例关系，这对同类条件下基桩之间的承载力对比尤其重要。在同类条件下，动刚度小的基桩承载力偏小，可认为其承载力是否满足设计要求存在疑问，再辅助低应变法、取芯法检测，可以从桩身质量及承载力两方面综合评估基桩工作状态，为判断基桩是否需要加固处理提供技术支持。

图3 类型1——单桩单柱结构(单位:mm)

图4 类型2——工字形承台结构(单位:mm)

图5 类型3——L形承台结构(单位:mm)

图6 基桩承载力与动刚度关系

4)测试结果验证了公式(1)的合理性，表明既有桥梁基桩可以在保持正常运营的条件下利用动刚度法测试基桩承载力。

上述基桩动刚度测试完成后采用取芯法、低应变法进行了桩身质量检测。基桩检测结果如表1所示。

3 结论

现场试验结果表明，对处于运营状态下的既有桥梁结构，采用瞬态激振机械阻抗法来评定基桩承载力的相对大小是满足工程使用要求的，本次检测的13根基桩均为摩擦桩，其测试结果验证了上述结论。在此基础上，采用低应变法和取芯法对动刚度较低的基桩进行桩身质量检测，综合承载力和桩身质量的检测结果可较为准确地评定基桩工作状态，这为既有桥梁结构基桩的评估提供了一种简便有效的检测方法。由于本次应用基桩样本数量相对较少，且未包含嵌岩桩的样本，目前尚不能给出一个普遍适用的动刚度与承载力之间的换算公式，后续工作将针对这一问题增加样本数量及基桩类型，继续进行动刚度与承载力之间相关性的研究，以期得到一个普遍使用的换算公式，为工程应用提供技术支持。