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        高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的分析

        2015-05-30 10:48:04張高其
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年16期

        張高其

        摘 要:高應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性分析中,除按照樁身完整性系數(shù)判定類別外,如何結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來綜合判定成為重點(diǎn),并且也是難點(diǎn)。文章結(jié)合一些工程實(shí)例來對(duì)高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性進(jìn)行分析。重點(diǎn)分析多節(jié)預(yù)制樁接頭水平焊接縫的完整性與樁周土軟弱土層對(duì)樁身完整性的影響。

        關(guān)鍵詞:高應(yīng)變法;樁身完整性;樁周土層反應(yīng)

        引言

        在前期基樁的動(dòng)力檢測(cè)中,高應(yīng)變法主要提供基樁的豎向抗壓承載力,樁身完整性檢測(cè)一般都作為附帶的功能,低應(yīng)變才是樁身完整性判別的主要手段。然而在一些特殊情況下,如工程中采用超長樁、預(yù)制多節(jié)樁等工藝,高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性相對(duì)于低應(yīng)變的優(yōu)點(diǎn)就突顯出來。隨著時(shí)代的發(fā)展,這些超長樁、預(yù)制多節(jié)樁在工程中使用得也越來越廣泛,在這些基礎(chǔ)面前,低應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性的方法就顯得有些力所不及。在這基礎(chǔ)之上,高應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性的這一作用得以體現(xiàn),甚至部分地區(qū)將高應(yīng)變檢測(cè)多節(jié)預(yù)制樁的樁身完整性列入了地區(qū)規(guī)程中。高應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性的分析應(yīng)注意以下幾種情況:(1)一般樁身缺陷;(2)預(yù)制樁中的接頭水平焊接縫;(3)樁側(cè)土層反應(yīng)的鑒別。

        1 高應(yīng)變法簡介

        高應(yīng)變法,是指所有能使樁土間產(chǎn)生永久變形(或較大動(dòng)位移)的動(dòng)力檢測(cè)基樁承載力的方法。常用的兩種高應(yīng)變動(dòng)力試樁方法為CASE法和CAPWAP法。現(xiàn)場(chǎng)在樁頂下一定距離對(duì)稱安裝一對(duì)加速度計(jì)和應(yīng)變計(jì),通過重錘沖擊樁頭,產(chǎn)生沿樁身向下傳播的應(yīng)力波和一定的樁土位移,記錄沖擊波作用下的加速度和應(yīng)變,傳輸至基樁動(dòng)測(cè)儀并儲(chǔ)存下來。然后采用不同軟件分析計(jì)算得出基樁的承載力和質(zhì)量完整性系數(shù)。CASE法由于分析時(shí)主要影響承載力的因素就一個(gè)CASE系數(shù),可現(xiàn)場(chǎng)提交結(jié)果,因此稱波動(dòng)方程實(shí)時(shí)分析法;而擬合法因要進(jìn)行大量擬合反演運(yùn)算,只能編程計(jì)算,一般在室內(nèi)進(jìn)行,常用此方法為基樁提供豎向抗壓承載力。

        高應(yīng)變完整性檢測(cè)分析過程中,只需要CASE法分析就能得出樁身完整性的判別。(圖1)

        圖1 高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)示意圖

        2 Case法檢測(cè)基本原理

        2.1 基本模型

        基樁模型:case法將樁視為一維均質(zhì)(等截面尤佳)連續(xù)的彈性體,基本上不考慮樁身缺陷影響,應(yīng)變與質(zhì)點(diǎn)速度之間滿足協(xié)調(diào)方程。

        樁周土動(dòng)力模型:為排除動(dòng)力試樁過程中土體的動(dòng)力效應(yīng),case法假定土的動(dòng)阻力全部集中于樁尖,且與樁尖速度和廣義波阻抗(Z=ρCA)成正比。

        樁周土靜力模型:case法為確保波動(dòng)方程解耦,得到半經(jīng)驗(yàn)解析解,將樁側(cè)速度與動(dòng)阻力分離,同時(shí)將樁身位移與靜阻力分離。假定土的靜力模型為理想剛塑性體,一旦擾動(dòng)發(fā)生,阻力即達(dá)到極限值。顯然,這只能在樁土間超過一定變形時(shí)才適用。

        2.2 計(jì)算方法與樁身完整性判定

        (1)Case法承載力計(jì)算,文章略。

        (2)樁身完整性系數(shù)β值計(jì)算

        式中 β-樁身完整性系數(shù);

        t1-速度第一峰對(duì)應(yīng)的時(shí)刻(ms);

        F(t1)-t1時(shí)刻的錘擊力(kN);

        V(t1)-t1時(shí)刻的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度(m/s);

        Z-樁身截面力學(xué)阻抗(kN·s/m);

        tx-缺陷反射峰對(duì)應(yīng)的時(shí)刻(ms);

        x-樁身缺陷至傳感器安裝點(diǎn)的距離(m);

        Rx-缺陷以上部位土阻力的估計(jì)值,等于缺陷反射波起始點(diǎn)的力與速度乘以樁身截面力學(xué)阻抗之差值,取值方法見圖2。

        (3)樁身缺陷位置x計(jì)算

        (4)樁身完整性類別判定

        等截面樁的樁身完整性判定:根據(jù)樁身完整性系數(shù)β值大小并結(jié)合經(jīng)驗(yàn),將樁身完整性類別分為四類。Ⅰ類:β=1.0;Ⅱ類:0.8≤β<1.0;Ⅲ類:0.6≤β<0.8;Ⅳ類:β<0.6。

        3 高應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性分析

        3.1 一般樁身缺陷

        正常情況下,高應(yīng)變?cè)跈z測(cè)樁身完整性的過程中,樁身缺陷的判定根據(jù)樁身完整性系數(shù)β值的大小來定量描述,并判定樁身完整性類別。完整性類別的判定與基本原理中描述的一致。唯一值得注意的是軟件分析過程中β值的計(jì)算值,由于采集曲線信號(hào)時(shí)外界干擾的因素,曲線樁頂?shù)?L/C時(shí)段反應(yīng)樁身明顯沒有缺陷,但因樁頂前或2L/C時(shí)段后的曲線計(jì)算出β計(jì)算值并不為1.0,而是稍微小于1.0,如0.99、0.98,應(yīng)結(jié)合曲線上沒有缺陷反應(yīng)判定為I類。

        在樁頂?shù)?L/C時(shí)段,除依據(jù)β值外,需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況來綜合判斷,究竟需要綜合哪些要素呢?主要分為兩類需要值得關(guān)注:一類是樁身結(jié)構(gòu)自身的局限性,如預(yù)制樁中有焊接接縫;另一類是樁周土的影響,特別是存在明顯的軟弱夾層時(shí)所產(chǎn)生的假缺陷反射法。

        3.2 預(yù)制樁中焊接接縫樁身完整性的分析

        預(yù)制樁在施工過程中,由于焊接、錘擊施工等因素,可能造成接頭之間形成水平縫,可以通過多次的連續(xù)采樣,來判斷水平縫的發(fā)展情況。

        (1)有明顯施工焊縫反射波,樁身基本完整的情況

        由于焊接原因造成的接頭之間的施工焊縫,在樁身周圍焊接牢固,在多次的錘擊情況下,β值基本會(huì)維持在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)。速度力曲線和應(yīng)力曲線相交的范圍維持在一個(gè)特定的范圍內(nèi),力和速度曲線可以向下傳遞。這種情況下樁身完整性如果依然按照β值的大小來判定,顯然是不準(zhǔn)確的。在能清晰看到樁底反射情況下,可認(rèn)為對(duì)樁身承載力無影響,存在樁身接頭缺陷,樁身基本完整。

        如×××錄安洲港區(qū)4號(hào)泊位的D-16#樁,型號(hào)為PHC-1000(130)-C80,樁長45米,打樁船為浙普工51型,錘型D138。由于沉樁過程中地質(zhì)條件與勘探成果相差較大,無法沉樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高,故采用高應(yīng)變法檢測(cè)基樁豎向承載力。此樁共采集信號(hào)35錘,從圖3中可以看出樁身傳感器以下樁長19.5米位置第2擊的β值為0.52,第10擊β值為0.53,第20擊β值為0.53,第35擊β值為0.54。從錘開始到收錘結(jié)束,β值均是在0.52~0.54之間小幅度的波動(dòng),樁底承載力從曲線分離程度看也不小。因此認(rèn)為此缺陷為預(yù)制樁焊接接頭缺陷,且對(duì)樁身承載力無影響,可認(rèn)為樁身基本完整。

        (2)有明顯施工焊縫,樁身結(jié)構(gòu)已破壞

        另一種施工過程中,預(yù)制樁樁身出現(xiàn)水平裂縫或接頭脫落,也是通過多次錘擊來判斷,這時(shí)候β值會(huì)在連續(xù)的錘擊過程中不斷減小,速度力曲線和應(yīng)力曲線相交的范圍逐漸增大,甚至達(dá)到速度曲線尾端向上,這樣情況說明樁身結(jié)構(gòu)已受到破壞,可根據(jù)β值并參考有無樁底反射,判定樁身完整性類別。

        如×××蕪湖海螺水泥有限公司專用碼頭14-C#樁,型號(hào)為600×600預(yù)制方樁,樁長41米,打樁船柴油錘型D100。該樁因沉樁到位會(huì)貫入度突然增大,故采用高應(yīng)變法檢測(cè)基樁豎向承載力及樁身完整性。此樁共采集信號(hào)12錘,從圖4中可以看出樁身傳感器以下樁長31米位置第1擊β值為0.59,第2擊β值為0.45,第8擊β值為0.41,第12擊β值為0.37。從總共12擊的錘擊情況可以得出,β值從0.59下降到0.37,最后幾擊速度力(ZV(t))曲線基本上都上揚(yáng)到應(yīng)力F(t)曲線之上,樁底也無法分辨有無承載力。因此說明樁已嚴(yán)重破損。嚴(yán)重影響樁身承載力的發(fā)揮,按β值最后0.37判Ⅳ類樁,所出具基樁豎向極限承載力僅供參考。

        3.3 樁周土層存在軟弱夾層時(shí)樁身完整性分析

        在高應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性的分析過程中,還可能存在一種樁周軟弱土層,尤其是上下土層土性差異明顯,分界線明顯的情況下,如風(fēng)化巖層上的軟流塑狀態(tài)粘土或粉質(zhì)粘土,會(huì)形成速度波上拉,應(yīng)力波下拉的假樁身缺陷反射,嚴(yán)重影響對(duì)樁身完整性的判斷,這時(shí)候需要認(rèn)真地閱讀地質(zhì)勘探報(bào)告,認(rèn)真分析在樁身該位置有無軟弱夾層的可能。預(yù)制樁施工的時(shí)候,在可能存在軟弱夾層影響時(shí),應(yīng)對(duì)懷疑的基樁進(jìn)行復(fù)打,等有足夠的土阻力恢復(fù)齡期后復(fù)測(cè)看是否缺陷指示程度有所變好,從而正確的對(duì)樁身完整性進(jìn)行判別。

        如×××鄭浦港一期工程,樁型為PHC-1000(130)-C80,樁長39米,打樁船采用D125柴油錘,兩根基樁施工參數(shù)及檢測(cè)情況如表1。

        基樁所對(duì)應(yīng)鉆孔地質(zhì)情況如圖5所示。

        其中⑤層為中密粉砂夾薄層粉土,N=27擊;⑥層為沖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂、薄層,N=4,呈軟~流塑狀態(tài),基樁所在位置層厚約1.80m;⑦層為密實(shí)粉砂,N=32~57擊,為樁端持力層。

        兩根樁在沉樁當(dāng)天測(cè)試過程中,由于錘擊對(duì)樁周土⑥層擾動(dòng)破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致高應(yīng)變測(cè)試采集的信號(hào)中在樁身傳感器以下30.5米左右,即樁底以上5.5米左右,出現(xiàn)假樁身缺陷反射(如圖6)。根據(jù)地質(zhì)資料顯示,此位置正處于第⑥層軟弱土層中,且該層上下土層力學(xué)性質(zhì)均非常好,形成樁周土性的突變。故懷疑此處的缺陷反射為樁周軟土的反映,等待樁周土有一定恢復(fù)時(shí)基樁復(fù)打進(jìn)行驗(yàn)證。

        三天后基樁復(fù)打測(cè)試的結(jié)果表明,樁周土⑥層經(jīng)過振動(dòng)破壞后土性重組,土阻力得到了較大的提高,再次錘擊測(cè)試所獲得的曲線上已無明顯的缺陷反射波,所測(cè)基樁的樁身完整。驗(yàn)證了初打時(shí)的缺陷反射應(yīng)為樁周軟弱土層的反射波,同時(shí)也說明樁周軟弱土層的反射波對(duì)樁身完整性判別有較大的干擾。在樁身完整性的分析過程中,當(dāng)所測(cè)多根基樁在同一位置上有相同的缺陷反射波時(shí),應(yīng)對(duì)提供的地質(zhì)資料和施工記錄進(jìn)行綜合的考慮,著重關(guān)注樁周土中是否有軟弱夾層等情況。

        4 結(jié)束語

        低應(yīng)變法簡單快捷且易用廉價(jià),在其能夠勝任的范圍內(nèi)優(yōu)先采用低應(yīng)變法測(cè)試,因此高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的應(yīng)用范圍受到限制。正是因?yàn)檫@樣的限制,高應(yīng)變法檢測(cè)樁身完整性的應(yīng)用中,基樁的自身結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,一般都是超長樁或多節(jié)預(yù)制樁,抑或是基樁樁身有不明缺陷需要用高應(yīng)變法進(jìn)行完整性或承載力校核。

        高應(yīng)變法分析樁身完整性具有其自身無可替代的優(yōu)點(diǎn),由于其應(yīng)用的場(chǎng)合一般都具有復(fù)雜性,因此對(duì)基樁完整性判定過程也相對(duì)困難。這就要求在高應(yīng)變法分析樁身完整性的過程中,除了對(duì)樁身完整性系數(shù)和缺陷所反應(yīng)的曲線形態(tài)熟練掌握外,還需要分析基樁自身結(jié)構(gòu)構(gòu)成、施工工藝及過程、基樁所對(duì)應(yīng)位置的地層資料,正確識(shí)別出是否有樁周軟弱土層反應(yīng)影響對(duì)樁身完整性的判斷,必要時(shí)采用多次錘擊看缺陷發(fā)展情況進(jìn)一步確定樁身完整性。

        參考文獻(xiàn)

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