低应变动测法在桩基质量检测中的应用
2021-10-08赵苏玲王约发熊中平
赵苏玲，王约发，熊中平
(1.江西海航建设科技有限公司，江西 南昌 330200；2.广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216；3.南昌对外工程有限责任公司，江西 南昌 330038)
1 引 言
经济的快速发展使城市越发繁荣，大型桥梁和高层建筑不断涌现[1]，传统的浅基础或天然地基的地耐力已无法满足设计要求，不得不采用如桩基础、沉井和地下连续墙等深基础，以钢筋混凝土桩基础应用最为广泛，有关钢筋混凝土桩基础理论、设备和工艺水平都取得了巨大的进步。如邓燕华[2]研究了长螺旋扩底压灌混凝土桩及其设备，解决了传统工艺桩基承载力低和入岩难的不足，但因桩基施工受地质条件和天气等因素影响，工序质量难以控制，问题屡见不鲜[3]，加上隐蔽性强，即使出现质量问题也较难发现。如何对桩基施工质量进行检测成为摆在工程技术人员面前的重要问题。
当前，桩的质量检测主要集中在单桩承载力和桩身完整性两方面。前者最有效的检测方法是静载试验，但费用高，后者主要有低应变动测法、声波透射法和钻芯法等。与其它检测方法相比，低应变动测法具有灵活轻便、简单快捷和高效等优点，已成为当前桩基完整性检测的主要手段[4]。
2 低应变动测法
2.1 工作原理
低应变动测法的理论基础是以一维线弹性杆件模型为依据,并设应力波在桩身中的传播符合平截面假定，以低能量的瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，冲击能以波的形式传递至桩底[5]，从而获取桩顶速度时程曲线或加速度曲线，然后基于波动理论或频域分析，对桩身的完整性进行判定，包括反射波法和机械阻抗法[4]。
2.2 适用条件
低应变动测法仅适用桩身截面基本规则，且桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5，严禁用于薄壁钢管桩和类似于H形钢桩的异形桩检测。另外，由于激振能在桩身传递的衰减受地质条件影响显著，有效检测长度主要受桩土刚度比的制约，以致各地提出的有效检测范围相差很大，通常认为其适用的最大桩长为50m[6]。
2.3 检测条件
低应变动测法须在混凝土强度达到设计强度的70%以上，且不小于15MPa时方能进行[7]。检测前应清除桩顶浮浆或松散、破损部分，保持桩顶表面平整干净、无积水，割掉妨碍测试的桩顶外露主筋。传感器与桩顶面垂直粘接，在粘接牢固的前提下，粘接剂的厚度要尽量薄，必要时可采用冲击钻打孔安装，以防止传感器横向振动对检测结果的不利影响。
2.4 检测方法
为减少外部环境和测试中桩的振动对测试信号产生的干扰，激振点与传感器安装点应远离钢筋笼的主筋。实心桩的激振点应选择在桩中心，传感器宜设在距桩中心2/3R(R为半径)处。空心桩的激振点与传感器宜设在同一水平面上、空桩壁厚的1/2处，两者与桩中心连线宜成90°夹角。
由于桩径越大，各部位运动的不均匀性越强，桩身阻抗变化具有显著的方向性。为全面反映桩身结构的完整性，应增加检测点的数量。可见，大直径桩的测点数较小直径桩多。因此，测点布置数量主要依据桩径大小而定，一般桩心应对称布置2～4个测点。每个测点数据采用3次平均值，且最少要记录3个有效信号数。为增加数据的有效性，3次敲击的力度和角度应尽量相似。时域信号记录的时间段长度应在2L/c时刻后延续不少于5ms，幅频信号分析的频率范围上限不应小于2000Hz[7，8]。
3 低应变动测法理论基础
关于桩的完整性检测理论，许多学者开展了相关研究。李卫庆等[9]研究了钻孔灌注桩的完整性，陈凡等[10]研究了尺寸效应对低应变动测法检测基桩完整性的影响。张阿舟等[11]研究了既考虑桩底土的作用、又考虑桩侧土影响的理想桩自由振动特性，但未考虑桩顶具体激振形式。桩的低应变动测法理论是判断桩身缺陷的重要理论，文献[10，12]认为，桩的完整性检测可以参照一维弹性杆纵波理论。本文以等截面杆为例，分析声波传播特性。
3.1 声波在等截面杆件的传播特性
在轴向荷载撞击下，杆中微单元受力状态如图1所示。
图1 直杆的轴向振动
(1)
即：
(2)
轴力：
(3)
令：
(4)
则：
(5)
式中，u为质点振动位移；σ为应力；ε为应变；m为单位质量；ρ为质量密度；E为材料弹性模量；c为波速。
将方程(5)作变量代换，令：
ξ=x-ct
(6)
η=x+ct
(7)
复合函数的全导数为：
(8)
(9)
同理：
(10)
将式(9)、式(10)代入式(5)，得：
(11)
设函数f1(ξ)及f2(η)都满足方程的解，则其任意线性组合也满足方程，式(5)的一般解为：
u(x,t)=f1(x-ct)+f2(x+ct)
(12)
式中，f1(ξ)和f2(η)为参数x-ct及x+ct的任意函数关系式，第一项f1(ξ)在0时刻，波动位置为f1(x)，经过t时刻，波以速度c移至x′，波的新位置变成了x′=x-ct，f1(x-ct)=f1(x′)形状不变。
3.2 声波在变截面处的传播特性
杆件连接处因全杆各点满足平衡条件和相容条件，此时入射波ua向前传播，到达连接面时便在杆1形成沿反向传播的反射波uτ，在杆2形成向前传播的透射波ut。考虑连接截面处杆件的连续性，界面上的位移和力也应保持连续性，即顺入射波方向的力Fa、入射波反方向的力Fr和入射波同方向的透射力Ft(见图2)应满足下列关系：
图2 不同杆件连接
u1=u2ua+uτ=ut
F1=F2Fa+Fr=Ft
(13)
各杆件参数如下：
(14)
由于任意时刻都要满足连续性条件，因此：
(15)
ua=fa(x-c1t)
(16)
ur=fr(x+c1t)
(17)
ut=ft(x-c2t)
(18)
(19)
(20)
同理：
(21)
(22)
将式(20)-式(22)代入式(15)，得到：
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
(34)
(35)
(36)
(37)
(38)
(39)
3.3 声波频域特征
由以上各式可知，当桩身阻抗力由大变小，即Z1>Z2，a<1时，入射波与反射波同向；当桩身阻抗由小变大，即Z1
4 低应变动测法在桩基检测中典型声波特征的工程实例
从前文的理论分析可知，低应变动测法的入射波与反射波的脉冲信号的相位关系主要与界面阻抗和桩底持力层性状有关。无论摩擦桩还是端承桩，可以通过不同部位波动特性分析出桩身完整性及持力层特征。以下分析不同缺陷桩的声波特征曲线，如图3-图8所示。图中，横坐标单位为m，表示检测桩长；纵坐标为声速度，单位为m/s(备注：为方便检测桩的缺陷分析，保留边框和竖向次要线，声波曲线沿纵轴正向整体平移)。
4.1 完整桩的声波特性
某钻孔灌注桩完整桩的时域曲线示意见图3。图中，钻孔灌注桩桩长为30m，桩径为0.6m，混凝土强度为C25，地质情况从上至下依次为淤泥、黏土和含砂石的黏土。该桩波形曲线规则，桩间无反射，即桩身截面阻抗无变化或变化极小，表明桩身完好；桩底反射明显，表明桩端进入持力层，判断该桩为Ⅰ类桩。
图3 某钻孔灌注桩完整桩时域曲线示意
4.2 断桩或严重缩颈桩的声波特性
某振动沉管灌注桩断桩或严重缩颈桩时域曲线示意见图4。所测桩长为18m，桩径为0.426m，混凝土强度为C25。检测到的波形曲线不规则，且桩底反射不清，7m处有正向子波叠加，波速出现突增现象，14m深度位置处有二次反射，表明桩身出现类似缩颈现象。但不同的是，7m深度位置处前段波速变化幅度也较大，这可能是断桩导致声波来回“振荡”所致，推断7m处断桩，判断该桩为Ⅲ类桩。随后进行的静载试验荷载与沉降(Q-s)曲线表明，加载至210kN前，Q-s曲线斜率较小，加载至280kN时，曲线陡降7.03mm，为210kN时沉降量的5.37倍，此后曲线斜率变缓。静载试验的Q-s曲线再次佐证了该桩为断裂脱空所致。压实后，Q-s曲线又趋于正常[13]。
图4 某振动沉管灌注桩断桩或严重缩颈桩时域曲线示意
4.3 缩颈桩的声波特性
某钻孔灌注桩缩颈桩时域曲线示意见图5。所测桩长为25m，桩径为0.6m。检测到的波形曲线基本规则，桩底有弱反射，但在10m处有正向子波叠加，这可推断为桩身截面由大变小，以致阻抗变小所致，推断该桩轻度缩颈，判断该桩为Ⅱ类桩。
图5 某钻孔灌注桩缩颈桩时域曲线示意
4.4 离析桩的声波特性
某振动沉管灌注桩离析桩时域曲线示意见图6。所测桩长为25m，桩径为0.426m。检测到的波形曲线不规则，且桩底反射不清楚。7.6m深度位置之前波形曲线呈现负指数衰减，但在7.6m深度位置处却叠加既宽又强的正向子波，且在15m处有弱的二次反射，这可能是7.6m和15m深度位置处均有离析。离析可以理解为桩密度降低，截面阻抗减小，导致声波在7.6m深度位置前出现类似断桩的来回“振荡”。不同的是，前者截面阻抗较后者降低幅度小，以致前者的波形曲线呈现更有规律的负指数衰减，而后者的规律性相对较差，判断该桩为Ⅲ类桩。
图6 某振动沉管灌注桩离析桩时域曲线示意
4.5 扩颈桩的声波特性
某钻孔灌注桩扩颈桩时域曲线示意见图7。所测桩长为26m，桩径为0.5m。可以看出，所检测到的波形曲线不仅不规则，桩底反射不清楚，且在2.2m深度位置处有强反向子波叠加，这可能是桩截面增大、阻抗变大，导致入射波与反射波反向，同时投射波速度降低，经衰减后能传递至桩的能量已经非常微弱，推断为明显扩颈，随后的开挖试验也验证了此推断。
图7 某钻孔灌注桩扩颈桩时域曲线示意
5 缺陷桩加固效果评价
某钻孔灌注端承桩多种缺陷桩处理前后的时域曲线示意见图8。所测桩长为16m，桩径为0.6m。检测到的波形曲线不规则，且在低频波上叠加高频锯齿状子波，桩端未见明显反射，这可能是1.5m深度位置处左右碎裂或离析导致截面阻抗急剧降低所致，判断该桩为Ⅲ类桩，见图8(a)。
经浅部处理后，再次进行了检测。这次波形曲线前段较处理前波形规则，但尾部仍有非正常的强反射，还有二次、三次反射，见图8(b)，其原因可能是桩底沉渣较厚。取芯结果表明，桩底沉渣厚度达到45cm。可见，桩底有沉渣时，桩端将无反射波或反射波不明显[14,15]。
桩底注浆加固后检测到的波形规则，桩底反射明显，且桩底反射波幅较注浆前明显减小，表明桩身完整，桩基缺陷加固处理效果好，见图8(c)。
(a)桩初次检测
以上分析表明，完整桩的波形曲线规则，缺陷桩因截面阻抗的变化导致波形曲线不规则，桩底反射不清楚或者反射波波幅突变。为保证桩基施工质量，对某缺陷进行加固处理后，再对该桩进行复检。如复检合格，则判定该桩基处理质量满足要求。因此，低应变动测法不仅适用于桩的完整性检测，而且适用于桩加固处理效果评价。桩身完整性判定不能仅凭主观经验，而应基于声波在桩体的传播理论，从截面阻抗变化入手，科学分析，得出正确结论。
6 结 语
本研究从低应变动测法的适用范围和基本要求着手，分析了声波在不同截面杆件的传播特性，详细介绍了其在桩检中的应用，得到以下结论：
(1)完整桩的时域波形曲线呈规律衰减，桩底有明显的反射信号，反射波与入射波同向。离析桩的时域波形曲线一般不规则，反射不明显，波幅会出现陡降。缩颈桩的时域波形曲线，在缩颈部位入射波与反射波同向，波速增大。扩颈桩反射波与入射波反向，波速减小，波频不变。断裂和严重缩颈桩的时域波形曲线呈现无规律的衰减，桩底反射不清。桩端进入软持力层时，桩底无反射或者反射不明显。
(2)缩颈和断桩等多种缺陷桩，因截面阻抗的变化导致波形曲线不规则，桩底反射不清楚或者反射波波幅突变。为保证桩基施工质量，往往在对相应缺陷进行加固处理后，再对该桩进行复检，根据复检结果判定该桩基处理质量是否满足要求。因此，低应变动测法不仅适用于桩的完整性检测，而且适用于桩缺陷处理后的效果评价。
