王 剛 阜陽(yáng)市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站

1 前言

樁基礎(chǔ)施工環(huán)境復(fù)雜，如機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行性能、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、施工技術(shù)等均會(huì)對(duì)其造成影響，而樁基質(zhì)量又是上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的決定性因素之一。對(duì)此，以合理的方式做好樁基檢測(cè)工作具有必要性。現(xiàn)階段的樁基檢測(cè)方法類(lèi)型豐富，如聲波透射法、低應(yīng)變反射波發(fā)、鉆芯法等，考慮到樁基檢測(cè)結(jié)果精確性和結(jié)構(gòu)安全性等多方面要求，工程中常結(jié)合多種檢測(cè)方法，其優(yōu)勢(shì)在于各方法可相互驗(yàn)證，更為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)樁基質(zhì)量問(wèn)題。

2 低應(yīng)變應(yīng)力波反射法原理

通過(guò)在樁頂施加激振信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)力波脈沖，該應(yīng)力波沿樁身傳播過(guò)程中，遇到不連續(xù)界面（如蜂窩、夾泥、斷裂、空洞等）和樁底面時(shí)，將產(chǎn)生反射波，檢測(cè)反射波的傳播時(shí)間、幅值和波形特征，從而判斷樁身完整性。采用瞬態(tài)沖擊法，通過(guò)實(shí)測(cè)樁頂加速度或速度響應(yīng)時(shí)域曲線，以一維波動(dòng)理論分析來(lái)判定基樁的樁完整性。根據(jù)一維波動(dòng)理論，樁身波阻抗Z由密度ρ、波速c、面積A 組成，即Z=ρcA。當(dāng)ρ、c、A 三者任一發(fā)生變化時(shí)，從樁頭激發(fā)產(chǎn)生的彈性波在此阻抗面均產(chǎn)生反射波，依據(jù)樁頂傳感器接收到的反射波的相性及相位特征來(lái)對(duì)樁身的質(zhì)量進(jìn)行判別。

3 低應(yīng)變法無(wú)損檢測(cè)特征信號(hào)

低應(yīng)變法的檢測(cè)原理是：當(dāng)樁頂受到一定的瞬時(shí)沖擊力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的縱向振動(dòng)的應(yīng)力波。應(yīng)力波會(huì)從樁頂一直延伸到樁身。當(dāng)應(yīng)力波不斷向下傳播時(shí)，不僅會(huì)阻礙應(yīng)力波的傳播，而且在遇到變異波時(shí)還會(huì)引起一定的反射和傳播。當(dāng)反射波傳遞到樁基礎(chǔ)的頂部時(shí)，樁基礎(chǔ)頂部的傳感器裝置能夠有效地接收反射波并獲得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)波形。利用相關(guān)儀器可以有效采集和記錄反射波。通過(guò)對(duì)反射應(yīng)力波特征信息的采集和分析，判斷樁基礎(chǔ)的質(zhì)量。在處理過(guò)程中，可以通過(guò)測(cè)試相關(guān)的基樁獲得不同的應(yīng)力波曲線。用手錘適當(dāng)確定樁頂?shù)南嚓P(guān)的位置（避免點(diǎn)激），產(chǎn)生一定的F（t）應(yīng)力波，速度V向下傳播；當(dāng)應(yīng)力波通過(guò)一定的情況改變樁阻抗Z的界面時(shí)，如樁體斷裂或開(kāi)裂，地面收縮，混凝土分離膨脹，雜質(zhì)被清除，應(yīng)力波向上反射和向下傳播，但在樁底仍發(fā)生反射。當(dāng)應(yīng)力波傳播時(shí)，加速度傳感器會(huì)接收一定的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)技術(shù)形成曲線或一定的頻域曲線。時(shí)域曲線可以對(duì)其不同的情況做出一定的判斷和處理，相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

4 低應(yīng)變檢測(cè)幾種典型問(wèn)題

4.1 壓入或打入預(yù)制樁檢測(cè)常遇到的問(wèn)題

與其它樁體相比，壓入或打入預(yù)制樁有以下特點(diǎn)：①壓入或打入預(yù)制樁會(huì)導(dǎo)致樁側(cè)及樁尖土體壓密，樁側(cè)樁土相互作用加強(qiáng)，應(yīng)力波衰減加快；②預(yù)制樁外表往往完整，但內(nèi)部仍有離析、蜂窩現(xiàn)象；③膠接良好樁，膠接處反射波一般較小；④膠接不良的樁，往往只能檢測(cè)出最先2 個(gè)膠接處的膠接情況，甚至只能檢測(cè)出第1個(gè)；⑤樁長(zhǎng)徑比較大，當(dāng)有多根樁膠接時(shí)，樁底反射難以檢測(cè)；⑥采用新型接頭的預(yù)制樁，其膠接處阻抗變化往往產(chǎn)生假缺陷信號(hào)。

4.2 瞬態(tài)激振設(shè)備選用問(wèn)題

瞬態(tài)激振設(shè)備應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇不同材質(zhì)的錘頭或錘墊，以獲得低頻脈沖或高頻脈沖。錘頭軟硬、錘墊厚薄和錘質(zhì)量大小均能起到控制脈沖寬窄的作用。選用瞬態(tài)激振設(shè)備主要是為控制激勵(lì)脈沖的寬窄以獲得清晰的樁身阻抗變化的反射信號(hào)，又不產(chǎn)生明顯波形失真或高頻干擾；獲得較大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍而不超載。錘頭及錘體質(zhì)量選擇并不需要固定單一形式，可選用工程塑料、尼龍金屬材料、硬橡膠材料。本次能力驗(yàn)證計(jì)劃使用的模型樁規(guī)格尺寸較工程樁小，更需要合理使用瞬態(tài)激振設(shè)備以獲得較好的反射信號(hào)。

4.2 離析、夾泥與縮徑反射波信號(hào)的區(qū)別

反射波信號(hào)與波阻抗變化程度、范圍及變化處波速有關(guān)，離析、夾泥和縮徑都會(huì)導(dǎo)致波阻抗減小，但離析、夾泥處波速要低于正常處波速，而縮徑處波速一般不會(huì)變化，這樣，小范圍離析、夾泥反射波特征會(huì)與較大范圍縮徑反射波特征相同。離析或夾泥會(huì)使整樁平均波速降低，而縮徑不會(huì)影響整樁平均波速，在實(shí)際樁基檢測(cè)中，若無(wú)準(zhǔn)確的施工記錄，難以將離析、夾泥與縮徑區(qū)別開(kāi)來(lái)。

4.3 樁頭處理問(wèn)題

樁頂條件和樁頭處理好壞直接影響測(cè)試信號(hào)質(zhì)量。對(duì)低應(yīng)變法而言，判斷樁身阻抗相對(duì)變化的基準(zhǔn)是樁頭部位的阻抗。樁頂表面應(yīng)平整干凈，確保多次反射信號(hào)的重復(fù)性較好。本次能力驗(yàn)證計(jì)劃采用的細(xì)石預(yù)制模型樁，樁頭平整度較好，但仍存在一些細(xì)小孔洞，需在測(cè)試過(guò)程中盡量避開(kāi)。

4.4 反射波法檢測(cè)帶平臺(tái)護(hù)坡樁完整性的局限性

用檢測(cè)單樁完整性的分析方法來(lái)分析帶平臺(tái)護(hù)坡樁完整性尚有一定的局限性，主要是由于：①平臺(tái)有一定厚度，在平臺(tái)上敲擊，應(yīng)力波會(huì)在平臺(tái)體多次反射，甚至產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波，同時(shí)部分波向鄰近樁傳播；②護(hù)坡樁間距一般較小，樁-土-樁相互作用明顯；③鄰樁的波阻抗變化產(chǎn)生的反射波又會(huì)在平臺(tái)傳播，影響待測(cè)護(hù)坡樁檢測(cè)信號(hào)。

4.5 測(cè)試參數(shù)設(shè)定問(wèn)題

對(duì)于低應(yīng)變法用基樁動(dòng)側(cè)儀，測(cè)試前應(yīng)設(shè)置工程名稱(chēng)、樁號(hào)、樁徑、樁長(zhǎng)、波速等基本信息，并結(jié)合收集到的樁基工程資料酌情設(shè)置低通濾波、采樣頻率、儀器增益、曲線類(lèi)型等參數(shù)，以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)試波形。本次能力驗(yàn)證計(jì)劃在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前已向各參加機(jī)構(gòu)發(fā)放作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，提供本次模型樁的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)及計(jì)劃特點(diǎn)，并且各機(jī)構(gòu)測(cè)試的6 根樁中，有1 根是完整樁以便用于波速校準(zhǔn)。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，依然有些機(jī)構(gòu)直接略過(guò)參數(shù)設(shè)置、對(duì)測(cè)試參數(shù)不進(jìn)行合理調(diào)整或儀器提示參數(shù)設(shè)置不合理而參加人員不會(huì)調(diào)整等情況。

5 低應(yīng)變法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)做好準(zhǔn)備。首先，將實(shí)際的待測(cè)樁頭不斷地調(diào)整至規(guī)定標(biāo)高。其目的主要是保證試樁的混凝土強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)要求。通常試驗(yàn)建議保持在大于15MPa的范圍內(nèi)。同時(shí)保持樁頂面干凈整潔，并相應(yīng)清除樁頂面浮渣和雜質(zhì)，保證混凝土表面得到充分的裸露。同時(shí)還應(yīng)將樁頂外露的妨礙檢測(cè)的鋼筋進(jìn)行切斷。確保在豎向狀態(tài)下，樁頂和樁軸的基礎(chǔ)確實(shí)牢固；在相關(guān)的預(yù)應(yīng)力管樁低應(yīng)變?cè)囼?yàn)前，如果樁頭凸緣與樁體混凝土緊密相連，則不需要進(jìn)行第二次處理，否則將對(duì)樁頭進(jìn)行清洗。

5.2 數(shù)據(jù)的解釋

根據(jù)野外采集數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，采用小波變換或者高通濾波等方法對(duì)波形進(jìn)行濾波處理，去除干擾波，然后讀取反射波縱波的初至?xí)r間，將時(shí)間除以2 再乘以聲波的速率，即可推斷出現(xiàn)異常的位置。在實(shí)際工程中，波形的解釋十分復(fù)雜，由于樁的完整性可能存在著不止一個(gè)缺陷，周?chē)馏w的邊界存在干擾等，造成波形的解釋十分困難，因此有必要對(duì)不同樁基缺陷的低應(yīng)變波形進(jìn)行解譯。

5.3 低應(yīng)變法的技術(shù)要點(diǎn)

進(jìn)行低壓試驗(yàn)前，應(yīng)預(yù)先處理實(shí)測(cè)樁的頂部，確保樁頂部無(wú)水，并在裂縫或凹凸處，以便預(yù)先應(yīng)用混凝土，保證與混凝土底部良好連接。傳感器的設(shè)置點(diǎn)和位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離主配筋，并應(yīng)提前研磨以便于操作和安裝傳感器。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，根據(jù)支撐直徑尺寸對(duì)稱(chēng)排列多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，因此每個(gè)測(cè)量點(diǎn)最多可收集三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，必要時(shí)可收集多個(gè)測(cè)量值，觸發(fā)器的振動(dòng)方向垂直向下，樁的主軸與傳感器安裝方向一致，傳感器連接接頭安裝在樁基上，常用耦合介質(zhì)是良好的固體材料，如Van Ryan、Butter等，振動(dòng)技術(shù)選擇擺動(dòng)式熨燙機(jī)。根據(jù)樁基礎(chǔ)的實(shí)際參數(shù)為材料選擇合適的質(zhì)量和力棒會(huì)產(chǎn)生合適的脈沖波，主要分為低帶寬脈沖和窄高頻脈沖。在錘頭振動(dòng)工作時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況控制振動(dòng)能量，防止第二次沖擊，避免后續(xù)波干擾，并將波形干擾降至最低，而無(wú)需檢測(cè)樁頭的明顯反射。為了檢測(cè)樁帽的深層和表面缺陷，需要現(xiàn)場(chǎng)更換滑塊的振動(dòng)位置或更換傳感器。

5.4 野外數(shù)據(jù)收集

首先，選擇要檢查的樁帽，刪除樁帽，然后顯示新的硬混凝土表面以滿足設(shè)計(jì)要求或行業(yè)要求。二是用合適耦合手段將消聲器連接到樁頂，連接并測(cè)試計(jì)算機(jī)和儀器，根據(jù)樁的選擇，起重機(jī)的觸發(fā)源不同，需要安裝一個(gè)小型測(cè)量桿和一個(gè)直徑較大的樁，錘數(shù)一定的公斤，以實(shí)現(xiàn)高能量和速度，保證音源的帶寬。第一種基于測(cè)試波形的現(xiàn)場(chǎng)解釋消除了構(gòu)造塊的有害影響，如機(jī)械設(shè)備故障、邊界條件等，在出現(xiàn)故障時(shí)必須消除并重新測(cè)試，并可重復(fù)進(jìn)行，以避免出現(xiàn)故障或遺漏。

5.5 樁身缺陷位置計(jì)算

依據(jù)低應(yīng)變法中時(shí)域信號(hào)或幅頻信號(hào)可計(jì)算樁身缺陷位置。因缺陷位置處速度波第一峰與缺陷反射波波峰見(jiàn)的時(shí)間差或幅頻信號(hào)缺陷上缺陷相鄰諧振峰間的頻差存在讀數(shù)誤差；波速確定方式及樁身波速平均值代替具體樁身段波速帶來(lái)的誤差；尺寸效應(yīng)帶來(lái)的誤差等情況的存在導(dǎo)致本法確定的樁身缺陷位置有誤差。從本次能力驗(yàn)證結(jié)果測(cè)試圖形及缺陷位置判定來(lái)看，這種誤差范圍控制較好，在10%內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，低電壓法提供了快速、無(wú)損和經(jīng)濟(jì)效益，因而是目前應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)樁完整性的方法。樁身完整性檢測(cè)是現(xiàn)階段土地工程的重要組成部分，影響建筑竣工后的安全性和質(zhì)量。樁完整性檢查是一種無(wú)損檢測(cè)手段，可提高施工效率，降低成本。本文介紹了低應(yīng)變法樁完整性檢查的基本原則。其中包括基本數(shù)據(jù)采集、野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋和工程實(shí)現(xiàn)、收縮樁和直徑樁典型低壓特征的解釋?zhuān)瑥亩岣邩睹蓖暾詸z查的準(zhǔn)確性和可靠性，以及工程師。