許加安

1 前言

靜載荷試驗(yàn)是采用接近于豎向抗壓樁的實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法，確定單樁的極限承載力，作為設(shè)計(jì)依據(jù)或?qū)こ虡兜某休d力進(jìn)行抽檢和評(píng)價(jià)。

動(dòng)力試樁是以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的動(dòng)測(cè)方法，它在樁頂給樁作用一動(dòng)態(tài)力，動(dòng)態(tài)力可以是瞬態(tài)沖擊力或穩(wěn)態(tài)沖擊力，樁土系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)力作用的反映為動(dòng)力響應(yīng)，用不同功能的傳感器可以在樁頂上量測(cè)到不同的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)（如速度、加速度、位移信號(hào)）。通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析，可以判斷樁身結(jié)構(gòu)完整性和對(duì)單樁承載力作出評(píng)價(jià)或?qū)Υ驑哆^(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)作用在樁頂上動(dòng)荷載能量是否使樁土之間發(fā)生一定塑性位移或彈性位移，而把動(dòng)力試樁分為高、低應(yīng)變兩種方法。

2 靜載荷試驗(yàn)方法及問(wèn)題

靜載荷試驗(yàn)是獲得樁的軸向抗壓、抗拔以及橫向承載力的最根本方法，其結(jié)果準(zhǔn)確度高，但傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)存在主要問(wèn)題是對(duì)堆載法必須解決幾百噸甚至上千噸的荷載堆放及運(yùn)輸問(wèn)題，錨樁法必須設(shè)置多根錨樁及反力大梁。所以靜載費(fèi)用昂貴，周期長(zhǎng)，試驗(yàn)數(shù)量少。且單樁承載力越高，試樁越困難。

80年代中期在美國(guó)開(kāi)展并逐漸流行的自平衡法是一種較省時(shí)、省力、安全的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)方法，試驗(yàn)時(shí)將載荷箱預(yù)先埋入樁底，對(duì)樁進(jìn)行加載時(shí)利用樁的側(cè)阻和樁身重量之和與端阻互為反力測(cè)出樁的側(cè)阻力與端阻力。具有裝置簡(jiǎn)單、不占用場(chǎng)地、不需大噸位堆料、可多根試樁同時(shí)進(jìn)行的優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)費(fèi)用省且試驗(yàn)后試樁灌漿后仍可作為工程樁使用。在大噸位試樁、坡場(chǎng)試樁、狹窄場(chǎng)地試樁、斜樁試樁時(shí)具有突出的優(yōu)越性。但自平衡法較難模擬出傳統(tǒng)的荷載—沉降曲線，端阻與側(cè)阻能否同時(shí)達(dá)到極限在試樁時(shí)亦是一個(gè)問(wèn)題，因此，自平衡理論仍有許多待研究之處。

3 低應(yīng)變動(dòng)測(cè)方法及問(wèn)題

低應(yīng)變動(dòng)測(cè)主要包括反射波法、機(jī)械阻抗法、水電效應(yīng)法和動(dòng)力參數(shù)法等，其中反射波法被公認(rèn)為力學(xué)概念明確、對(duì)樁身缺陷判斷直觀性強(qiáng)。試驗(yàn)時(shí)在樁頂用力錘或力棒施加一瞬時(shí)激勵(lì)，量測(cè)樁頂響應(yīng)后，分析樁身混凝土強(qiáng)度和缺陷位置，并定性判別缺陷性質(zhì)（如擴(kuò)頸、縮頸、離析、斷樁等）。其作用能量小，只能使樁土產(chǎn)生彈性變形，一般情況下產(chǎn)生10-5級(jí)次的變形。

低應(yīng)變反射波法解決問(wèn)題的能力表現(xiàn)在能較好地進(jìn)行樁基完整性檢測(cè)，可以較準(zhǔn)確地判別自樁頂向下第一個(gè)較嚴(yán)重的缺陷。但由于反射波法測(cè)試的效果與系統(tǒng)的軟硬件精度、激振技術(shù)、傳感器安裝技術(shù)、測(cè)試人員的技術(shù)水平密切相關(guān)，測(cè)試時(shí)需從以下方面加以注意：

3.1 傳感器安裝和激振點(diǎn)的選擇

根據(jù)波動(dòng)理論計(jì)算及多個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)采集波形對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大直徑樁，傳感器安裝在距中心2/3 倍半徑處，在樁中心敲擊時(shí)量測(cè)波形是最理想的，同時(shí)應(yīng)用尼龍頭或加大錘墊厚度增大敲擊力脈沖寬度，以減小高頻信號(hào)影響。

對(duì)于一般直徑的樁，敲擊點(diǎn)在樁中心附近，傳感器位置距樁中心（2/3～3/4）R 范圍內(nèi)。測(cè)試短樁或了解淺部缺陷時(shí)，宜采用小鐵錘或鐵錘墊橡皮，以提高激振頻率和分辯率，由于淺部缺陷反射時(shí)的應(yīng)力波大小受敲擊點(diǎn)及傳感器安裝點(diǎn)的影響更大，因此宜選擇多個(gè)安裝面和敲擊點(diǎn)。

3.2 激振技術(shù)的把握

反射波法檢測(cè)樁身完整性時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行樁頭處理，鑿去浮漿層至新鮮混凝土，樁頂有積泥、積水時(shí)必須清除，保證樁頂平整，激振時(shí)注意以下幾個(gè)方面：

（1）敲擊力要集中、鉛直，激振模式要單一。

（2）激勵(lì)能量要適當(dāng)，激勵(lì)能量以能看到樁底反射的前提下盡量小，使樁周參加振動(dòng)的土體盡量少，以減少對(duì)波形的干擾。土越好，樁越長(zhǎng)，用大錘敲擊效果更好；土越差，樁越短，用小錘敲擊效果更好。

（3）敲擊脈沖頻帶要適中，滿足下式：

τ≥5D/C

式中：τ-脈沖力頻率；D-樁徑；C-應(yīng)力波波速。

大量實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，脈沖力寬度，樁長(zhǎng)10～20m，τ 約為0.7～2.0ms；樁長(zhǎng)20～30m，τ 約為2.0～3.0ms；樁長(zhǎng)大于30m 的樁，τ 約為3.0～4.0ms。

3.3 測(cè)試盲區(qū)

實(shí)測(cè)及研究表明，距樁頂1～1.5D（D 樁徑）范圍內(nèi)的樁身缺陷，用反射波法不易查明，稱為測(cè)試盲區(qū)。

對(duì)于樁長(zhǎng)大于60m 的特長(zhǎng)樁，低應(yīng)變法已難于檢測(cè)，可該用高應(yīng)變檢測(cè)或進(jìn)行抽芯。

總之，低應(yīng)變動(dòng)測(cè)具有方便快捷、費(fèi)用低、抽樣率高的特點(diǎn)，但低應(yīng)變檢測(cè)基本上不能對(duì)截面的變化程度作出定量的評(píng)定而只能作出定性的判斷，定位的誤差亦在15%左右。檢測(cè)時(shí)實(shí)際只能做到的只是從大批試樁中鑒別出肯定合格的基本完整樁和肯定不合格的嚴(yán)重缺陷樁，對(duì)于許多只有中等程度缺陷的樁，實(shí)際難于對(duì)其合格性作出評(píng)價(jià)，只有在增加抽檢數(shù)量的條件下應(yīng)用于樁基工程驗(yàn)收。所以從事低應(yīng)變動(dòng)測(cè)的技術(shù)人員必須具備巖土、設(shè)計(jì)、施工、振動(dòng)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)等多方面的知識(shí)，以便根據(jù)條件對(duì)樁基完整性作出較為準(zhǔn)確的分析。

4 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)方法及問(wèn)題

高應(yīng)變方法與低應(yīng)變方法的根本區(qū)別是前者適當(dāng)考慮了樁周土的彈塑性影響。高應(yīng)變作用在樁上能量大，動(dòng)荷載使樁產(chǎn)生貫入度，從而使樁、土之間產(chǎn)生塑性位移，通過(guò)在樁頂量測(cè)到的信號(hào)，分析樁的承載力。高應(yīng)變?cè)嚇兜膽?yīng)變量約10-3級(jí)次。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)是承載力擬合的基礎(chǔ)，實(shí)測(cè)信號(hào)的質(zhì)量很大程度上決定著測(cè)試的精度。測(cè)試時(shí)，樁頭的處理、錘重和落高、錘墊的選擇、傳感器的安裝等因素，都將影響信號(hào)的質(zhì)量。

4.1 錘擊設(shè)備及錘重和落高的選擇

對(duì)于預(yù)制樁，可以用打樁機(jī)作為錘擊設(shè)備，對(duì)于灌注樁，須有專門的自由落錘設(shè)備，包括錘體、導(dǎo)向架和脫鉤器，可采用整體錘或組合錘，錘的高寬比宜為2：1 或1.5：1。

錘重一般為單樁極限承載力的1%，落高一般為1.0～2.0m，最好是重錘低打。一般使貫入度不小于2.5mm，但也不要大于10mm，貫入度過(guò)小，土強(qiáng)度發(fā)揮不充分，貫入度太大，不滿足波動(dòng)理論，實(shí)測(cè)波形失真。對(duì)于嵌巖樁，注意不能把嵌固段打動(dòng)，否則嵌固力不能恢復(fù)，會(huì)大大降低樁的承載力。

4.2 樁頭處理

樁頂要平整，測(cè)試前應(yīng)將浮漿鑿掉，用標(biāo)號(hào)較高的混凝土加固樁頭，樁頭加配2～3 層鋼筋網(wǎng)片并加密箍筋。新接樁段注意連接面用水沖洗干凈后方可澆混凝土，高度應(yīng)為2～2.5 倍的樁徑，便于傳感器安裝在新接段上。

4.3 錘墊選擇

錘墊是影響實(shí)測(cè)波形的重要因素，錘墊過(guò)軟，會(huì)降低錘擊能量的傳遞，使貫入困難；過(guò)硬，錘擊力峰值過(guò)高，易擊碎樁頂。工程中可采用膠合板、薄木版、不墊或紙箱殼，并根據(jù)第一錘波形加以調(diào)整。

4.4 傳感器的安裝

傳感器的安裝是測(cè)試波形好壞的關(guān)鍵，其安裝面應(yīng)用砂輪磨平，否則安裝后會(huì)有過(guò)大的初始電壓，導(dǎo)致傳感器損壞。安裝點(diǎn)距樁頭一般為1.5～2.0D，安裝在混凝土質(zhì)量好的部位，如安裝在差的部位，錘擊過(guò)程中應(yīng)變偏大，會(huì)使實(shí)測(cè)力偏大，高估單樁承載力。

高應(yīng)變測(cè)承載力時(shí)實(shí)實(shí)在在激發(fā)了樁周土的阻力，但高應(yīng)變方法也存在一些問(wèn)題，用高應(yīng)變方法去準(zhǔn)確測(cè)定單樁承載力是較為復(fù)雜的問(wèn)題。①錘擊過(guò)程中樁身所激發(fā)的樁側(cè)土阻力與靜載條件下的阻力有著本質(zhì)的區(qū)別，在外力沖擊下，樁體的動(dòng)力特性是靜力運(yùn)動(dòng)、剛體運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力波傳播的疊加反映，而靜承載力本身機(jī)理又是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。②樁基測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)樁超過(guò)一臨界深度后，樁端土阻力和單位面積樁側(cè)土阻力基本保持為常數(shù)，這些復(fù)雜的機(jī)理問(wèn)題，用簡(jiǎn)單的應(yīng)力波理論模型去模擬是很困難的。

高應(yīng)變動(dòng)測(cè)中需認(rèn)識(shí)的幾個(gè)方面是：①波速的選取問(wèn)題。由于混凝土是非均質(zhì)體，應(yīng)力波在混凝土中傳播存在頻散現(xiàn)象，故不同測(cè)試方法在同一根樁上可能測(cè)到不同的波速，而通過(guò)分析樁反射波計(jì)算的平均波速往往不一定等于安裝傳感器處混凝土的波速，波速不準(zhǔn)帶來(lái)的誤差對(duì)承載力計(jì)算結(jié)果的可靠性有較大影響；②CASE 阻尼系數(shù)Jc 的取值及曲線擬合處理的不確定性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；③高應(yīng)變對(duì)以下承載力的評(píng)定是無(wú)能為力的，樁身結(jié)構(gòu)破壞的樁、樁的負(fù)摩阻力問(wèn)題、時(shí)間效應(yīng)問(wèn)題、土的蠕變特性、砂土液化、樁的沉降問(wèn)題。

5 結(jié)論

靜載荷試驗(yàn)和樁的高應(yīng)變、低應(yīng)變是樁基檢測(cè)工作中的常用方法。在具備高應(yīng)變動(dòng)測(cè)的理論及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下，高應(yīng)變所測(cè)結(jié)果與靜載荷試驗(yàn)有較好的一致性。高、低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和靜載試驗(yàn)具有一定的互補(bǔ)性，它們各有長(zhǎng)短，不能互相取代。通過(guò)樁基測(cè)試的實(shí)踐與研究，得出如下結(jié)論：

（1）具備條件的情況下，確定極限承載力應(yīng)首先選擇靜載荷試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)性試樁務(wù)必用靜載荷的慢速維持荷載法。

（2）高應(yīng)變動(dòng)測(cè)適合于對(duì)打樁進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)有靜載荷試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比的工程樁的承載力進(jìn)行檢測(cè)。

（3）低應(yīng)變動(dòng)測(cè)適用于工程樁的完整性普查。

（4）樁的靜力、動(dòng)力測(cè)試，一定要有訓(xùn)練有素的工程師負(fù)責(zé)完成。

[1]劉興錄.樁基工程與動(dòng)測(cè)技術(shù)200 問(wèn)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]陳如桂.樁基工程動(dòng)測(cè)技術(shù)的若干問(wèn)題[A].樁基工程動(dòng)測(cè)技術(shù)與方法.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.