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。

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