李權(quán)福，王振卿，劉建磊

(1.神華鐵路貨車運(yùn)輸有限公司，北京 100011;2.中鐵十五局集團(tuán)公司，河南洛陽 471013;3.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

樁基礎(chǔ)具有承載能力高、施工成本低、建筑物穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，隨著新建結(jié)構(gòu)向高聳、大跨方向發(fā)展，樁基礎(chǔ)的使用比例正逐步增大，目前在役的建(構(gòu))筑物大部分均采用樁基礎(chǔ)。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，目前針對新建結(jié)構(gòu)基樁檢測的方法主要有靜載試驗、高應(yīng)變檢測、低應(yīng)變檢測、超聲波檢測及取芯檢測五種方法，前兩種方法主要對基樁承載能力進(jìn)行評定，后三種方法則側(cè)重于基樁完整性檢測。由于各種方法的原理及檢測指標(biāo)各異，導(dǎo)致上述各種檢測方法均有一定的適用范圍，但其檢測結(jié)果在不同范圍內(nèi)均可滿足基樁質(zhì)量檢測的需求，我國目前所有新建結(jié)構(gòu)基樁至少需要采用上述方法中的一種方法進(jìn)行質(zhì)量檢測。

由于早期工程建設(shè)質(zhì)量管理不完善，同時出于成本方面的考慮，部分基樁在建設(shè)時期未開展質(zhì)量檢測工作，基樁質(zhì)量處于未知的狀態(tài)。隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，交通量呈現(xiàn)大幅增長，車輛荷載及軸重出現(xiàn)增大的趨勢，部分高速公路橋梁樁基礎(chǔ)在運(yùn)營多年后出現(xiàn)了顯著沉降(個別基礎(chǔ)沉降量達(dá)10 cm左右)，既嚴(yán)重影響了高速公路的行車舒適性，也為高速公路的正常運(yùn)營帶來了嚴(yán)重的安全隱患。為解決上述問題，需要在保持正常運(yùn)營的條件下對這些基樁的質(zhì)量及承載能力進(jìn)行檢測，以便對其工作狀態(tài)進(jìn)行綜合評定，并制定相應(yīng)的處治措施以確保運(yùn)營安全。

1 檢測方法

上世紀(jì)70～90年代，為了能夠方便快捷地檢驗基樁承載力，業(yè)內(nèi)相關(guān)人員進(jìn)行了大量的研究工作，主要是采用動測法，諸如動力參數(shù)法、共振法、機(jī)械阻抗法等來獲取結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)。動測法的基本原理為根據(jù)實測沖擊力及振動信號的關(guān)系，分析基樁體系的動剛度，并通過靜載試驗實測承載力，建立基樁動剛度與實測承載力之間的關(guān)系——動靜對比系數(shù)，進(jìn)而得到用動剛度推算承載力的計算公式

式中:Rk為基樁承載力，kN;Kd為動剛度，kN/mm;Sa為容許沉降量，mm;η為動靜對比系數(shù)。

由于不同地區(qū)地質(zhì)條件變化較大，基樁特征千差萬別，檢測人員在動靜對比系數(shù)的取值上存在較大分歧，既便是同類樁基礎(chǔ)在相同地質(zhì)條件下動剛度值明顯偏小(基樁承載力偏小)的現(xiàn)象也屢屢發(fā)生。加上早期振動測試分析能力較弱，利用動剛度推算基樁承載力的公式未能夠得到大面積推廣和應(yīng)用?；谶@一特點(diǎn)，檢測人員可通過一批基樁的動剛度測試結(jié)果篩選出承載力偏低的基樁，結(jié)合低應(yīng)變法和取芯法測試基樁質(zhì)量，從承載力和樁身質(zhì)量兩方面評估基樁使用狀態(tài)。

瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法為基樁動力測試中常用的一種無損檢測方法，其激振力介于低應(yīng)變法與高應(yīng)變法之間。采用瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法分析樁土體系共同作用下的縱向振動時需對樁土體系的力學(xué)模型作如下假定:

1)假定基樁是埋入土中的一維彈性直桿。采用激振方式進(jìn)行基樁檢測時，在樁頂施加的激振力雖有大小之分，但樁土體系可認(rèn)為是在彈性受力狀態(tài)下工作，這保證了振動理論分析的主要假定條件，所以其動力測試結(jié)果是比較穩(wěn)定的，大量的實測結(jié)果也證實了這點(diǎn)。

2)假定樁身材質(zhì)均勻、各向同性，橫截面在振動過程中保持平面，橫向變形忽略不計。

3)土對樁的約束簡化為線性彈簧及與振動速度有關(guān)的阻尼器，并以平行方式耦合。

4)樁土體系是一個時不變線性系統(tǒng)，受力響應(yīng)服從虎克定律和遵守疊加原理。

研究一個系統(tǒng)的機(jī)械導(dǎo)納特性(傳遞函數(shù))，基本前提是這個系統(tǒng)必須是一個時不變線性系統(tǒng)，就是說這個系統(tǒng)的基本特性不隨時間而改變，且其輸入和輸出符合疊加原理。樁土體系在低量級的沖擊激勵條件下，產(chǎn)生的振動量級極其微小，屬于微幅振動，樁土的特性參數(shù)在短時間不易改變，所以激振力沖擊法滿足瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法對振動體系的基本要求。

任何線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在確定的動態(tài)力(輸入)作用下，必定顯示確定的動態(tài)響應(yīng)(輸出)，瞬態(tài)導(dǎo)納函數(shù)確定了輸入和輸出之間的函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)納函數(shù)表征了所測體系的動態(tài)特性，這是研究結(jié)構(gòu)動力特性的重要方法之一。其表達(dá)式

式中，H(f)為瞬態(tài)導(dǎo)納函數(shù)，V(f)為振動速度函數(shù)，F(xiàn)(f)為激振力函數(shù)。

瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法對樁土體系的簡化:對樁土體系作振動分析時，視基樁為埋在土中的彈性直桿，其為一個無窮多自由度的桿件系統(tǒng)。但大多數(shù)情況下基樁長細(xì)比較小(＜40)，樁周土剛度往往遠(yuǎn)小于基樁本身的剛度，以摩擦為主和樁尖支承共同作用的端承摩擦樁就是此類情況，這時樁周土體的支承作用包括樁底的壓縮支承(樁底反力)、樁側(cè)土的剪切支承(側(cè)摩阻力)和阻尼作用，這些作用可簡化用樁底彈簧和阻尼器來表示。當(dāng)樁頂受到低頻脈沖激勵時，所測樁頭動力響應(yīng)就是樁土體系的支撐反力、側(cè)摩阻力以及樁的幾何特性的綜合反映(圖1)。通過測試軟件進(jìn)行分析計算，繪制出導(dǎo)納(V/F)隨頻率f的變化曲線——導(dǎo)納函數(shù)曲線(圖2)。該曲線的低頻段為一近似直線段，低頻直線段斜率的倒數(shù)為樁土體系的綜合動剛度

圖1 瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法測試示意

圖2 典型導(dǎo)納—頻率曲線

式中:Kd為動剛度，kN/mm;f為頻率，Hz;V為振動速度，mm/s;F為激振力，kN。

實際測試時，采用一定的激振力對樁頂進(jìn)行沖擊，通過安裝于樁頂位置的拾振器采集豎向振動信號，通過傳遞函數(shù)分析得到基樁體系的動剛度值。

2 檢測示例

為了驗證瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法的測試效果，試驗人員選取了13根摩擦端承樁進(jìn)行了動剛度測試，激振質(zhì)量為50 kg，下落高度為70 cm，基樁結(jié)構(gòu)形式如圖3～圖5所示。

基樁動剛度測試結(jié)果與承載力關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出:

1)13根基樁動剛度測試結(jié)果與承載力近似呈線性變化，隨承載力的增加，基樁動剛度也相應(yīng)增加。

2)圖中兩根基樁動剛度測試結(jié)果偏離正常規(guī)律，動剛度明顯較同類型基樁偏低，從承載力及驗證情況來看，這兩根樁承載力偏低、小于設(shè)計容許承載力，不滿足設(shè)計要求，類型2中B1樁取芯法結(jié)果證明該基樁樁身存在明顯缺陷。

3)動剛度測試結(jié)果驗證了動剛度與承載力之間的比例關(guān)系，這對同類條件下基樁之間的承載力對比尤其重要。在同類條件下，動剛度小的基樁承載力偏小，可認(rèn)為其承載力是否滿足設(shè)計要求存在疑問，再輔助低應(yīng)變法、取芯法檢測，可以從樁身質(zhì)量及承載力兩方面綜合評估基樁工作狀態(tài)，為判斷基樁是否需要加固處理提供技術(shù)支持。

圖3 類型1——單樁單柱結(jié)構(gòu)(單位:mm)

圖4 類型2——工字形承臺結(jié)構(gòu)(單位:mm)

圖5 類型3——L形承臺結(jié)構(gòu)(單位:mm)

圖6 基樁承載力與動剛度關(guān)系

4)測試結(jié)果驗證了公式(1)的合理性，表明既有橋梁基樁可以在保持正常運(yùn)營的條件下利用動剛度法測試基樁承載力。

上述基樁動剛度測試完成后采用取芯法、低應(yīng)變法進(jìn)行了樁身質(zhì)量檢測?；鶚稒z測結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)論

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，對處于運(yùn)營狀態(tài)下的既有橋梁結(jié)構(gòu)，采用瞬態(tài)激振機(jī)械阻抗法來評定基樁承載力的相對大小是滿足工程使用要求的，本次檢測的13根基樁均為摩擦樁，其測試結(jié)果驗證了上述結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，采用低應(yīng)變法和取芯法對動剛度較低的基樁進(jìn)行樁身質(zhì)量檢測，綜合承載力和樁身質(zhì)量的檢測結(jié)果可較為準(zhǔn)確地評定基樁工作狀態(tài)，這為既有橋梁結(jié)構(gòu)基樁的評估提供了一種簡便有效的檢測方法。由于本次應(yīng)用基樁樣本數(shù)量相對較少，且未包含嵌巖樁的樣本，目前尚不能給出一個普遍適用的動剛度與承載力之間的換算公式，后續(xù)工作將針對這一問題增加樣本數(shù)量及基樁類型，繼續(xù)進(jìn)行動剛度與承載力之間相關(guān)性的研究，以期得到一個普遍使用的換算公式，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

表1 基樁樁身質(zhì)量及承載力檢測結(jié)果

［1］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 106—2003 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ/T 93—95 基樁低應(yīng)變動力檢測規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1995.

［3］徐慧，繳玉森.瞬態(tài)導(dǎo)納狀態(tài)調(diào)整系數(shù)法檢測基樁承載力技術(shù)［R］.北京:鐵道部科學(xué)研究院，1996.

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［7］楊武，柳春.穩(wěn)態(tài)(瞬態(tài))機(jī)械阻抗法檢測樁基質(zhì)量原理［J］.振動、測試與診斷，1994，14(4):15-22.

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