鐘燕茹

(廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司)

0 引言

低應變法的理論基礎是一維波動理論，受檢樁須為細長桿件，并滿足平截面假設，在滿足以上前提條件下，可認為在激振脈沖作用下樁身中傳播的應力波為一維縱波，且傳感器接收到的實測信號能夠客觀、真實地反映入射波、反射波之間的相位和幅值關系。但是在實際工程中，基樁并不能認為是一維桿件，特別是大直徑灌注樁，由于試驗所采用的錘重限制，所激發(fā)激勵脈沖的有效高頻分量對應的脈沖寬度有限，樁頂面附近應力波不是一維縱波，也不滿足平截面假設，呈顯著的三維效應。對低應變法信號采集效果、結果分析準確性均帶來不利影響。

本研究從三維效應產(chǎn)生機理、對低應變法測試的不利影響及減小三維效應干擾的技術手段等方面開展研究，從理論和實踐方面綜合探討了樁頂三維效應并進行了經(jīng)驗總結，為解決大直徑灌注樁低應變法測試效果、分析水平提供支持。

1 樁頂?shù)娜S效應

1.1 三維效應產(chǎn)生機理

一維波動理論嚴格成立的條件是傳播介質為一維彈性材料桿件，且激勵脈沖為平面波，但實際情況下受檢樁樁長有限，并不符合一維桿件的假設。同時由于低應變法激振接觸尺寸與樁頂橫向尺寸相比很小，更接近點振源，所產(chǎn)生的激勵脈沖也更接近球面波，低應變法激振產(chǎn)生的應力波也不是單純的縱波，平截面假設不嚴格成立。1968年學者R.D.Woods的研究結果表明，敲擊產(chǎn)生的應力波在半無限空間體介質中傳播時，瑞利波（表面波）能量占67%，橫波（剪切波）占26%，縱波（壓縮波）占7%[1]。

1.2 激勵脈沖實測信號中的三維效應

實際工程中的基樁物理模型介于一維桿件和半無限空間體之間，則低應變法試驗時樁頂激勵脈沖在樁身介質中產(chǎn)生的應力波介于平面波和球面波之間，傳感器接收到的信號除包含有效的縱波外，還包含橫波和瑞利波等干擾成分。

在低應變法實際測試過程中，實測信號中不可避免受到樁頂三維效應的不利影響，特別是大直徑灌注樁試驗中表現(xiàn)尤為突出。三維效應一方面加大了采集高質量信號的難度，另一方面對判斷樁身完整性的準確性造成干擾。因此需要首先分析三維效應對實測信號造成負面影響的典型情況，能夠在實踐操作中識別和發(fā)現(xiàn)問題，進而通過技術手段降低三維效應帶來的干擾，從而提升結果分析的準確性。

2 三維效應對實測信號的影響

2.1 實測信號質量

從以上理論分析中可知，低應變法在樁頂敲擊產(chǎn)生的激勵脈沖由于三維效應引起的橫波和表面波是采集高質量實測信號的不利因素，主要原因是在樁頂面橫向傳播的橫波和表面波及其在樁頂邊緣產(chǎn)生的高頻反射波，與縱波在傳感器安裝位置產(chǎn)生疊加，對實測信號造成干擾，特別對于大直徑灌注樁，橫波和瑞利波在樁中心和周邊多次反射而形成的高頻波耦合，會對樁身質量判定造成不利的影響。

某工程20#灌注樁，樁長23.88m，樁徑1200mm，分別采用1.5㎏的手錘和7㎏的力棒進行測試，實測信號如圖1所示。

圖1 采用不同激振設備的實測曲線

受檢樁直徑為1200mm，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，激振錘擊點距離傳感器安裝位置約為400mm，當采用手錘激振時，由于三維效應，信號采集質量較低，主要表現(xiàn)為：

⑴激勵脈沖信號產(chǎn)生畸變，起跳點前出現(xiàn)受拉引起的負向速度，與實際受壓情況沖突。

⑵中上部信號出現(xiàn)振蕩，疑似樁身存在缺陷。

⑶信號尾部不歸零。

當采用力棒在同一位置進行試驗，得到高質量信號，且樁身完整。分析兩種激振設備實測信號差異，主要原因是手錘激振產(chǎn)生的高頻脈沖中橫波和表面波成分高，實測信號中三維效應影響顯著，采用力棒激振產(chǎn)生的低頻脈沖中縱波成分高，橫波和表面波占比低，應力波更接近在一維桿件中傳播，三維效應不顯著，因此實測信號質量更高。

2.2 淺部缺陷識別

按照一維縱波理論和平截面假定，無論激振點和信號接收點設置在樁頂任何位置，傳感器實測信號均有很高的一致性。但由于三維效應的影響，激振點和信號接收點位置的選取將對實測信號質量產(chǎn)生顯著影響，特別是對淺部缺陷的判斷。

某民宅工程采用直徑600mm的鉆孔灌注樁，樁長全部為30.00m，破除樁頭浮漿后進行低應變檢測，3號樁實測信號見圖2。

圖2 3號樁低應變現(xiàn)場實測曲線

圖2中(a)、(b)曲線分別為選擇不同敲擊、接收位置的實測信號，(a)曲線反映出淺部存在嚴重缺陷，(b)曲線反映在樁中上部存在輕微缺陷，結論沖突。經(jīng)開挖驗證，發(fā)現(xiàn)在距樁頂約0.8m處樁身夾泥且存在水平裂縫，存在嚴重缺陷。實際情況如圖3所示。

圖3 3號樁照片

該工程實例反映出三維效應對淺部缺陷測試的影響，即一維波動理論和平截面假定不成立的情況下，低應變法試驗激振錘擊點、傳感器安裝點的選取對淺部缺陷的分辨具有至關重要的影響，因此在試驗過程中需嚴格遵循規(guī)范規(guī)定的激振錘擊點、傳感器安裝點選取以及采集信號數(shù)量原則，對淺部有疑問的樁，需增加點位和信號采集數(shù)量。

2.3 缺陷程度判定

由于方法的局限性，低應變法對于缺陷程度的判定未能達到定量分析，主要是通過對疑似缺陷位置反射波的形態(tài)與入射波進行比較，分析缺陷處阻抗與完整樁身阻抗的比值，進而定性判定缺陷程度，理論計算見公式⑴。

式中：Vi為激勵脈沖峰值，Vr為變阻抗截面處反射峰值，β為變阻抗與完整樁身阻抗之比，β與Vr/Vi成正相關關系，即缺陷越大，反射波峰值越高，但兩者變化不成比例。

在三維效應的影響下，激振錘擊點距離傳感器的遠近對實測激勵脈沖峰值的影響大于對實測缺陷反射峰值的影響。某工程中基樁為直徑1200mm的灌注樁，對130#樁進行低應變法測試，傳感器安裝在樁中心，在距離樁中心點不同位置進行2次敲擊試驗，第一次距離按照規(guī)范規(guī)定為400mm，第二次試驗距離為200mm。結果見圖4。

圖4 同一根樁不同敲擊距離下的低應變實測信號

兩次實測信號在距離樁頂約11.5m的位置均出現(xiàn)同向反射信號，對實測激勵脈沖和反射信號的峰值進行對比分析。

表1 實測信號峰值分析

(a)、(b)信號在11.5m處反射波峰值均為0.15cm/s，但由于(b)信號激振錘擊點距離傳感器位置近，造成實測信號入射激勵脈沖峰值更大，反射波峰值相近的情況下入射激勵脈沖峰值越大，實測信號中反射峰相對越低，缺陷程度越不明顯。如圖4，同一根樁在僅改變敲擊距離的兩次試驗中，缺陷反映程度具有顯著差異，這種差異可能對完整性判定結論造成質的影響。因此激振錘擊點距離傳感器位置小于規(guī)范規(guī)定距離，會掩蓋缺陷嚴重程度。

3 減小三維效應影響的技術措施

為減小樁頂三維效應對低應變法測試影響，可采取以下有效的技術措施。

⑴提高激勵脈沖低頻成分占比。低應變法激勵脈沖為復頻波，減少激勵脈沖中的高頻分量，可有效增大脈沖寬度，使激振產(chǎn)生的應力波更接近于平面波。廣東省標準《建筑地基基礎檢測規(guī)范》（DBJ/T 15-60-2019）和行業(yè)標準《建筑樁基檢測技術規(guī)范》（JGJ 106-2014）中分別規(guī)定，低應變法瞬態(tài)激振脈沖有效高頻分量的波長與受檢樁橫向尺寸之比宜大于5和10，其目的也是降低三維效應的影響。

⑵嚴格按照規(guī)范規(guī)定選取傳感器安裝點與激振錘擊點。廣東省標準《建筑地基基礎檢測規(guī)范》（DBJ/T 15-60-2019）規(guī)定，實心樁傳感器安裝點與激振錘擊點的距離宜不小于樁徑或矩形樁邊寬的四分之一；當激振錘擊點在樁中心時，傳感器安裝點與樁中心的距離宜為樁半徑的三分之二。有研究表明按照以上規(guī)定的傳感器安裝點與激振錘擊點試驗，三維效應對實測信號影響最小。

⑶改變傳感器安裝點與激振錘擊點的位置，增加信號采集數(shù)量。雖然規(guī)范中規(guī)定了不同樁徑情況下最少的信號采集點數(shù)，但對于易受樁頂三維效應影響的大直徑灌注樁，應增加采集點數(shù)量，綜合分析三維效應對信號的影響，選定客觀反映樁身完整性的信號進行分析[2－3]。

4 結論

對基樁低應變法樁頂三維效應對試驗的影響進行了討論，從原理和實踐兩方面進行了分析，得到以下結論。

⑴在工程實踐中由于基樁和激勵脈沖的物理、力學模型不滿足一維桿件和平截面等基本假設，樁頂附近的三維效應不可避免地出現(xiàn)，且對試驗的影響不可忽視。

⑵樁頂面的三維效應對信號采集質量、淺部缺陷的分辨識別以及缺陷程度的判定等方面造成諸多不利影響，特別是大直徑灌注樁，在實踐中應識別并減少三維效應造成的負面效應。

⑶通過提高激勵脈沖低頻成分占比、按照規(guī)范選取傳感器安裝點與激振錘擊點，以及改變傳感器安裝點與激振錘擊點的位置、增加信號采集數(shù)量等技術手段可有效減小三維效應對低應變信號的影響。