沈士杰，卞德存，趙鴻彬，葉東昌

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東 廣州 530520）

0 引言

近年來，隨著我國城市化建設(shè)的快速推進，地下空間的開發(fā)利用也在不斷地向做大做深的方向發(fā)展，由此出現(xiàn)了大量帶有地下室的建筑結(jié)構(gòu)，且地下室規(guī)模和埋置深度也在不斷增大[1]。然而，由于地下室結(jié)構(gòu)的重量與該位置原來的土體重量相比要輕得多，在施工過程中如遇持續(xù)性強降雨，且上部結(jié)構(gòu)荷載未完全施加，則極易導致地下室底板出現(xiàn)上浮隆起，梁、板、柱等構(gòu)件及節(jié)點會因地板上浮產(chǎn)生壓縮、剪切破壞，造成嚴重的工程質(zhì)量事故，對地下室的正常使用產(chǎn)生較大的影響。

由于目前地下室上浮的結(jié)構(gòu)損傷鑒定問題還缺乏系統(tǒng)研究，現(xiàn)行標準中對地下室上浮后的結(jié)構(gòu)鑒定依然參照地上建筑物的鑒定方式開展，其重點是對梁板柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度、損傷情況進行檢測記錄，進而推斷整體結(jié)構(gòu)的安全狀況，未充分考慮地下樁基礎(chǔ)在底板上浮過程中出現(xiàn)樁身破壞或樁頭與底板承臺脫開的情況，從而產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)損傷程度的誤判[2]。

單孔地震波法作為一種樁基無損檢測方法，已廣泛應用于既有樁基礎(chǔ)的檢測當中。在樁長檢測領(lǐng)域，國內(nèi)外學者通常利用Shell 射線理論建立單孔地震波樁長的計算公式，并根據(jù)測孔-樁間距、測孔傾斜度對計算方法進行修正[3]。對既有建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)檢測與鑒定來說，準確評價樁身是否存在缺陷或損傷比樁長推測往往更加重要[4]。目前既有樁基缺陷識別方面鮮有相關(guān)的研究報道，僅少數(shù)學者在理論方面開展了一些初步探討。

單孔地震波檢測樁基完整性的理論研究多數(shù)建立在樁頂自由這一簡化假定基礎(chǔ)之上，這與既有樁基頂部與上部結(jié)構(gòu)剛接的情況明顯不符，另外計算采用的地層條件過于簡單，未考慮土體剛度和波速沿深度變化的影響，理論成果的適用性尚未經(jīng)過試驗驗證；同時，由于試驗采用的模型樁尺寸普遍為縮尺模型，樁身完整性測試結(jié)果能否指導實際工程樁基完整性檢測仍需開展深入研究。

本文結(jié)合工程案例，采用單孔地震波法對地下室樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行檢測分析，通過對比驗證，實現(xiàn)對既有建筑物地下室樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完整性的檢測，可為今后類似的工程情況提供參考。

1 工程概況

廣東某建筑工程為一商業(yè)住宅綜合體，共有1 棟1層高的社區(qū)服務站、1 棟1 層高的配電房、8 棟26 層高住宅及3 棟32 層高的住宅，設(shè)一層地下室。住宅采用框架結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)體系。地基基礎(chǔ)采用有抗拔要求的預應力管樁基礎(chǔ)。由于近期雨水較多，長期強降雨使得施工現(xiàn)場地下水位上升，地下室底板也因為連續(xù)降雨無法及時覆土，導致位于兩棟32 層高層住宅中間裙樓部分的地下室區(qū)域出現(xiàn)底板上浮現(xiàn)象，最大上浮量超過50mm。整個待檢測區(qū)域的上浮量呈“倒鍋底”現(xiàn)象，即兩棟高層中間部位上浮量大而靠近邊緣部位由于受外墻制約則上浮量較小。采取了底板開孔放水措施后，底板上浮變形有所恢復。底板上部混凝土柱端頭出現(xiàn)壓縮破壞。地下室混凝土柱損傷狀況如圖1 所示。

圖1 地下室混凝土柱損傷狀況

2 檢測原理、設(shè)備及檢測方案

2.1 檢測原理

本次損傷檢測所采用的單孔地震波法，是利用完整樁身、缺陷樁身及土層間的縱波傳播速度上的差異來對樁長及樁身完整性進行檢測和辨別的[5]。其檢測原理如下：首先，在基樁的旁側(cè)與基樁平行預埋一根測試管，測試管內(nèi)灌滿清水。其次，在基樁上部承臺或立柱上進行敲擊，利用測試管內(nèi)的傳感器接收敲擊引起的彈性波。由于彈性波在樁中的傳播速度比在樁周土中的傳播速度快，致使測試管內(nèi)的傳感器最先接收到的必然是沿樁身向下傳播的彈性波[6]。當傳感器位于樁底以下時，彈性波在土體中的傳播路徑變長，會導致傳感器接收到的初至波延后，形成一個初至時的斜率變化拐點。如果樁身存在嚴重缺陷，則會導致接收到初至波的時間延后[7]。通過觀測測試管內(nèi)傳感器接收到初至波的時間變化，即可判斷基樁是否存在缺陷。單孔地震波法檢測原理如圖2 所示。

圖2 單孔地震波法檢測原理

2.2 檢測設(shè)備

在早期，國內(nèi)外學者和工程師多采用三分量檢波器（圖3）開展單孔地震波現(xiàn)場測試試驗。三分量檢波器，可通過充氣囊或彈簧片彈性固定于孔壁，通過拾取和分析孔中的地震波速度信號進行樁長判別。與上述測試設(shè)備不同，本次測試采用12 道水聽器鏈（圖4）代替單通道三份量傳感器進行振動信號采集。水聽器鏈檢波器間距為1m，每次測試可獲得12 個點位的地震波數(shù)據(jù)，并且采用水介質(zhì)進行耦合，極大地提高了檢測速度及錘擊數(shù)據(jù)的一致性，并顯著降低了傳感器耦合狀態(tài)對測試數(shù)據(jù)的影響。

圖3 采用氣囊耦合的三分量傳感器

圖4 CH3R 型高靈敏度多道水聽器

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用DAQlink3 便攜式地震儀（圖5）。該設(shè)備具備12 通道，最小采樣間隔20μs；設(shè)備采用以太網(wǎng)連接用于快速數(shù)據(jù)傳輸和遠程數(shù)據(jù)存儲，有錘擊開關(guān)觸發(fā)及時間觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。

圖5 DAQlink3 分布式地震儀

2.3 檢測方案

測試對象為兩跟單樁承臺下的管樁基礎(chǔ)A 樁、B樁，兩樁尺寸、承臺設(shè)計規(guī)格、施工方式、埋置深度均相同。其中A 樁為底板上浮外圍區(qū)域樁基，A 樁上部混凝土柱未出現(xiàn)損傷，底板上浮量基本為零。B 樁為底板上浮最嚴重區(qū)域樁基礎(chǔ)，B 樁頂部混凝土柱出現(xiàn)擠壓崩壞，柱腳區(qū)域出現(xiàn)裂縫及涌水；由于底板上浮過程中，樁身最容易出現(xiàn)拉伸破壞的是樁頭承臺連接部位，此區(qū)域存在結(jié)構(gòu)交界面，波形反射規(guī)律復雜，需要使用無損傷樁基（A 樁）作為對照。由于樁基礎(chǔ)位于已建成的地下室底板下部，且地下室內(nèi)部各類管線已安裝完成，對鉆機架設(shè)高度及鉆桿更換方式要求較高（低凈高特種鉆機）。綜合考慮檢測施工成本及時效性，本次測試僅對A 管樁樁頭部位進行數(shù)據(jù)采集，以作為對照參考。

3 檢測數(shù)據(jù)分析

對每個水聽器采集到的彈性波振動信號進行疊加，可獲得振動波列圖。圖6 為A 樁基（無損傷對照樁）振動波列，圖7 為B 樁基（待測樁）振動波列。A 樁底板以下2m 范圍內(nèi)（主要樁頭與承臺連接位置）的彈性波信號特征可用以輔助判斷B 樁樁頭損傷情況。

圖6 A 樁基（無損傷對照樁）振動波列

圖7 B 樁基（待測樁）振動波列

A 樁基測試范圍為底板表面至下部2m 深度。在測試范圍內(nèi)，首至波信號清晰，無明顯波幅衰減，底板表面至樁頂距離為0.75m，則推斷A 樁樁頭以下深度0～1.25m 的混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)性較好，無明顯缺陷，A 樁樁頭與承臺結(jié)合部位信號過渡平滑，無信號衰減或間斷。

B 樁測試范圍為底板表面至下部13m 深度。彈性波信號在深度約0.8m 處出現(xiàn)同相軸間斷，0.8～2.6m 的首至波信號衰減嚴重，且深度2.6～13m 首至波信號較弱，波速較低（上部缺陷，導致振動能量傳遞受阻），初至時間規(guī)律性較好。由于底板表面至樁頂距離為0.75m，推測B 樁有缺陷存在于樁頭往下深度0.05～1.85m，根據(jù)B 樁上部立柱柱腳滲水嚴重這一現(xiàn)象推斷，B 樁極有可能在樁頭部位出現(xiàn)拉伸破壞，樁頭與承臺連接出現(xiàn)斷裂失效。

4 結(jié)語

在利用單孔地震波法的基礎(chǔ)上，通過同條件、同尺寸完整樁基礎(chǔ)測試結(jié)果對照，可以較為方便地實現(xiàn)地下室上浮后既有樁基礎(chǔ)損傷檢測，尤其是針對一些“樁-承臺”交界面等波形規(guī)律不明確的區(qū)域，通過對照的方式，能較好地輔助判別樁基損傷情況，為既有樁基完整性檢測提供了新的思路。