高应变法在基桩桩身完整性和承载力检测及计算中的应用

张艳伟

（福建永信德工程检测有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

基桩是工程建设的重要部分，其主要由桩身和连接桩顶承台组成，基桩主要分为高、低两种承台基桩，如果桩身完全位于土层中、承台底面直接接触土层面，属于地承台基桩[1]；如果桩身上部分露出地面，承台底面和土层表面之间具有一定距离，属于高承台基桩。工程施工过程中，应结合工程需求选择合理的基桩类型[2]。在基桩桩身施工过程中，对于施工技术需求较高，如果施工工艺或者施工步骤存在问题[3]，则会影响基桩桩身施工质量，导致基桩桩身的承载力和完整性不满足要求[4]。常见的检测方式为静荷载试验检测方法，该方法虽然能够直接确定基桩桩身的承载力情况，但是检测效率相对较低，并且无法高效完成大范围工程基桩桩身抽检[5]。

高应变法属于一种应力波反射波法，其主要是在桩顶施加冲击力，实现桩身灌入后，测量桩身在冲击力下形成的质点应力和加速度，同时结合波动理论分析方法进行相关分析，因此，其在桩身竖向抗压承载力检测以及桩身完整性判断中具有较好的应用效果。为实现基桩桩身完整性和承载力检测，本文以实际工程为例，提出高应变法的基桩桩身完整性和承载力检测，并分析该方法的应用效果。

1 工程概况

为研究高应变法在基桩桩身完整性和承载力检测中的应用效果，本文以广东某地区的公路桥梁工程的高承台基桩为例，展开基桩桩身检测研究，对桩身完整性和竖向承载力进行客观评价，为项目交竣工验收工作提供依据。该地区的地质勘测结果如表1所示。本文在进行检测时，仅选择工程中的10个灌注桩桩基作为测试桩基，桩基的相关参数如表2所示。

表1 地质勘测结果

表2 桩基的相关参数

2 基桩桩身完整性和承载力检测与计算

2.1 高应变法的基桩桩身检测

2.1.1 高应变检测装置结构

结合工程情况，文中选择RSM-PDT（A）型号的高应变检测装置进行该工程基桩桩身完整性和承载力的检测。该装置主要包含加速传感器、应变测量传感器以及附属设备等硬件部分，同时设有专业分析软件，用于完成相关计算，高应变检测装置结构如图1所示。

图1 高应变检测装置结构

在进行检测时，装置重锤的最大击落距离设为1m，并且桩顶下距离1m处安装传感器。使用重锤锤击桩顶，形成的冲击力会向桩身传播，桩身以及土层在应力波作用下会发生相应的变形和位移。通过安装的传感器以及应变计等获取桩身在该冲击过程中桩身的受力以及运动速度时域波形数据；最后依据专业软件进行该数据的分析，计算得出桩身的完整性和承载力结果。

2.1.2 基桩桩身检测步骤

采用图1所示的高应变检测装置进行基桩桩身完整性和承载力检测时，需严格按照相关标准完成，检测工作包括桩身处理、传感器安装、贯入度确定、锤击偏心校正、重锤选择和突发情况处理等。

（1）桩身处理。

采用高应变检测装置进行基桩桩身完整性和承载力检测时，需对桩端的浮浆、松散以及破损部分进行处理，使其露出内部的混凝土表面。清理完成后，将长度为3m的长桩帽安装在桩顶，该桩帽主要采用C45 等级混凝土制备。

（2）传感器安装。

在标准位置安装加速传感器、应变测量传感器，以此用于实现桩身冲击时的数据采集。传感器的安装位置以及应力波传播示意图如图2所示。

图2 传感器的安装位置以及应力波传播示意图

（3）贯入度确定。

高应变检测装置进行基桩桩身完整性和承载力检测时，需确定桩身的贯入度，相关标准规定，在保证承载力计算分析精准性满足标准需求的前提下，贯入度的参考标准范围为2～6mm。在检测现场，文中使用高精度水准仪进行桩身贯入度检测；采用打桩机作为锤击设备时，结合连续多次锤击作用下桩身的总沉降量确定贯入度结果。

（4）锤击偏心校正。

在安装高应变检测装置时，落锤安装后的垂直度会存在一定偏差，形成锤击偏心；该情况会影响锤击可靠性，因此需通过导向架的调整解决锤击偏心情况，如果偏心程度较为严重，则调整锤垫的摆放位置完成锤击偏心校正。

（5）重锤选择。

进行灌注桩桩身检测时，该桩身设计的容许值在5000～10000kN范围内，则使用20T锤激振，并采用该重锤进行桩身冲击，此时重锤的锤击作用示意图如图3所示。

图3 重锤的锤击作用示意图

如果重锤处于自由落锤状态，可依据已知重锤落距和重锤重量M完成锤击的瞬时动能结果，其计算公式为：

克服桩端阻力消耗的能量用Edm(t)表示，其计算公式为：

式中：

Jc——阻尼系数；

Fm——作用力；

Vm——质点运动速度。

在上述公式的基础上，计算重锤锤击能量传递效率eq，其计算公式为：

（6）突发情况处理。

使用高应变检测装置进行基桩桩身完整性和承载力检测时，如果桩顶发生破损，则需更换检测桩。如果传感器的A/D初偏值超过标准范围，则将安装的传感器取下来并重新进行安装；如果重新安装后仍旧超过标准范围，则更换新的传感器。除此之外，如果该检测装置检测到异常信号，先对重锤是否存在偏心进行检查，并且对传感器的安装情况进行检查。

2.1.3 基桩桩身完整性和承载力的计算

依据传感器采集的桩身在冲击力作用下的相关数据，计算桩身的承载力和完整性，承载力的计算公式为：

式中：

Rc——单桩的极限承载力；

F(t1)，F(t2)——实际测量的锤击力，前者形成在速度波第一峰时刻t1，后者形成在速度波第二峰时刻t2；

v(t1)，v(t2)——分别表示两个峰值小时可得测点实际测量速度；

Z——桩身截面积力学阻抗，其计算公式为：

式中：E——桩身混凝土材料的弹性模量；

c——桩身在锤击冲击时的应力波波速；

A——桩身的截面积。

计算桩身完整性时，需结合地质勘测结果完成，完整性系数ξ和桩身缺陷位置x的计算公式为：

式中：ΔR——桩身缺陷以上部分的土体阻力估计结果。

依据公式（7）的计算结果，可进行基桩桩身完整性判断，判断标准如表3所示。

表3 基桩桩身完整性判断标准

3 检测结果分析

依据上述检测方法完成工程中的10个灌注桩桩身的完整性和承载力检测结果，按照《建筑基桩检测技术规范》进行判断，单桩竖向抗压极限承载力检测值均需大于3540kN，测试结果如图4所示。

图4 10个灌注桩桩身承载力检测结果

由图4可知：高应变法具有较好的桩身检测效果，可获取其完整性和承载力结果，为项目竣工验收工作提供依据。

4 结束语

本文以实际工程为例，研究高应变法在基桩桩身完整性和承载力检测中的应用，并通过测试确定该方法的应用效果，可为工程项目竣工提供可靠依据。总之，工程施工时地质环境、工程类型、工程项目特点等均会存在一定差异，采用基桩提升基坑的稳定性以及工程的承载力是实践验证了的技术。对于施工工艺或者施工流程以及施工环境的土层情况导致基桩桩身发生变形的问题，必须引起我们的重视，一定要科学选择方法精准测量基桩桩身施工后的完整性和承载力，本文分析的高应变法则可以满足工程需要。