吳雨源

（惠東縣建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站，廣東惠州 516300）

0 前言

在檢測(cè)樁身完整性的方法中，低應(yīng)變法因設(shè)備簡(jiǎn)便、檢測(cè)快捷、費(fèi)用低、結(jié)果較可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為檢測(cè)機(jī)構(gòu)中一種普查樁身質(zhì)量的有力手段。目前，在廣東省地基基礎(chǔ)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，低應(yīng)變法的理論基礎(chǔ)是基于一維線彈性桿件模型這個(gè)假定，該假定要求受檢樁的長(zhǎng)徑比、瞬態(tài)激勵(lì)脈沖有效高頻分量的波長(zhǎng)與樁的橫截面尺寸之比均不宜小于5[1]。但是，在工程檢測(cè)中會(huì)經(jīng)常遇到長(zhǎng)徑比小于5的大直徑短樁，此類樁體的三維實(shí)體與一維波動(dòng)理論之間的偏差導(dǎo)致對(duì)波速的影響，并隨著長(zhǎng)徑比的不斷減小，對(duì)波速的影響就越大。針對(duì)上述工程情況，低應(yīng)變法是否仍然適用，且應(yīng)如何獲取準(zhǔn)確的縱波波速以確定樁長(zhǎng)和缺陷位置。

1 大直徑短樁的三維效應(yīng)

目前被工程檢測(cè)人員廣泛采用的低應(yīng)變法是反射波法，是基于應(yīng)力波在樁中的傳播特性為理論基礎(chǔ)的方法。在反射波法中，樁被視為一維彈性桿件，桿件的變形滿足平截面假定，具體的說就是垂直于桿件軸線的各平截面（即桿的橫截面）在桿件受拉伸、壓縮或純彎曲而變形后仍然為平面，并且同變形后的桿件軸線垂直，再通過相容方程、運(yùn)動(dòng)方程和材料的本構(gòu)方程σ=σ（ε）推導(dǎo)出波動(dòng)方程

現(xiàn)實(shí)中的樁為三維實(shí)體，錘擊產(chǎn)生的應(yīng)力波為三維應(yīng)力波[2]，應(yīng)力波不僅沿著樁身縱向傳播，還沿著徑向傳播，隨著長(zhǎng)徑比的不斷減小，樁中質(zhì)點(diǎn)橫向運(yùn)動(dòng)的慣性作用越來越明顯，這就是樁中應(yīng)力波傳播的三維效應(yīng)現(xiàn)象。三維效應(yīng)現(xiàn)象在大直徑短樁的動(dòng)測(cè)實(shí)踐中具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①三維應(yīng)力波在樁側(cè)的反射效應(yīng)使樁頂實(shí)測(cè)信號(hào)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的高頻干擾，從而增加樁頂實(shí)測(cè)信號(hào)的復(fù)雜性；②影響縱波波速繼而造成實(shí)際缺陷位置和樁底位置的誤判。

本質(zhì)上講，大直徑短樁樁頂附近不可以完全套用一維應(yīng)力波理論，取三維直角坐標(biāo)系，則空間傳播的應(yīng)力波受式（1）控制[3]：

經(jīng)過一系列換算和求解，得到三維狀態(tài)下的縱波波速公式為：

式（2）建立起了三維縱波波速和一維理論縱波波速的關(guān)系。v為材料的泊松比，一般根式的數(shù)值是大于1的，即 CL＞Cb，這就是樁基動(dòng)測(cè)實(shí)踐中，為什么淺部缺陷實(shí)際開挖的深度往往比理論計(jì)算的深度深的原因，因?yàn)楹雎粤瞬ㄋ賲^(qū)別。

2 工程概況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

廣東省惠東縣某項(xiàng)目A因作為持力層的基巖埋藏淺，采用人工挖孔樁，直徑為1.4m、1.6m和2.0m，長(zhǎng)徑比L/D在3.3～8.0區(qū)間內(nèi)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度強(qiáng)度為C45。整批樁采用低應(yīng)變法普查樁身完整性。根據(jù)一維理論縱波波速公式取 E=3.45×104MPa，ρ=2400kg/m3，計(jì)算得到一維理論縱波波速為 3791m/s，而根據(jù)低應(yīng)變法樁底反射時(shí)間可以確定縱波波速在3800～3900m/s，與理論公式計(jì)算的偏差約在2.8%以內(nèi)。結(jié)合鉆芯法的取樣結(jié)果，將縱波波速的范圍修正為3800～4050m/s之間，這個(gè)對(duì)應(yīng)實(shí)際的三維縱波波速，它與一維理論波速的最大偏差約在6.8%，偏差較大。由此可以看出，一維波動(dòng)理論只是一種近似假定，計(jì)算出來的縱波波速并不是一成不變的，它將隨許多因素的變化而改變。

其中，項(xiàng)目A的某樁如圖1所示。樁長(zhǎng)為6.68m，樁徑為2m，L/D=3.34，低應(yīng)變法實(shí)測(cè)信號(hào)見圖2?？芍ㄋ贋?050m/s，如果按照一維理論縱波波速3791m/s去設(shè)置采樣波速，其低應(yīng)變信號(hào)見圖3。樁長(zhǎng)減少為6.25m，與實(shí)際樁長(zhǎng)的偏差為6.9%。所以大直徑短樁的縱波波速不能單純地依靠一維理論縱波波速公式去設(shè)定，而是需要考慮樁的長(zhǎng)徑比，否則會(huì)因?yàn)榇笾睆蕉虡兜娜S效應(yīng)而低估了樁長(zhǎng)或者淺判了樁身缺陷深度。

圖1 項(xiàng)目A的大直徑短樁

圖2 項(xiàng)目A中某樁的低應(yīng)變信號(hào)（波速為4050m/s）

圖3 項(xiàng)目A中某樁的低應(yīng)變信號(hào)（波速為3791m/s）

考慮到項(xiàng)目A工程樁的長(zhǎng)徑比在3.3～8.0之間，因此在低應(yīng)變檢測(cè)中使用了質(zhì)地較硬的手錘，錘擊時(shí)產(chǎn)生高頻入射波有利于判別樁底以及樁身變化的反射信息。大直徑短樁的幾何尺寸不僅造成彌散現(xiàn)象，而且在樁頂附近傳播的應(yīng)力波屬于三維球面波，這就要求回到三維狀態(tài)去分析對(duì)波速的影響。

此外，選取廣東省惠東縣某項(xiàng)目B進(jìn)行參照，該項(xiàng)目灌注樁樁徑為1.2m，長(zhǎng)徑比在12～15之間，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度強(qiáng)度為C35，根據(jù)一維理論縱波波速公式取 E=3.35×104MPa，ρ=2400kg/m3，計(jì)算得到一維縱波波速為3736m/s。結(jié)合鉆芯的樁長(zhǎng)數(shù)據(jù)，該批樁的平均縱波波速為3795m/s。

3 大直徑短樁的長(zhǎng)徑比對(duì)縱波波速的影響

從項(xiàng)目A和項(xiàng)目B中選取三種不同區(qū)間的長(zhǎng)徑比的波速數(shù)據(jù)，分別與一維理論縱波波速以及王雪峰[3]三維理論縱波波速Cb=1.054Cb進(jìn)行比較，見表1。

通過表1可知，當(dāng)長(zhǎng)徑比L/D小于5時(shí)，實(shí)際縱波波速與一維理論縱波波速的偏差在6%以上，與三維理論縱波波速的偏差約為1%，說明該區(qū)間的大直徑短樁的三維效應(yīng)非常明顯，檢測(cè)時(shí)若將波速設(shè)置為一維理論縱波波速，必然會(huì)造成樁底和缺陷深度的淺判，此時(shí)采用王雪峰推薦的三維理論縱波波速計(jì)算公式會(huì)更加合適。當(dāng)長(zhǎng)徑比L/D介于5～10之間時(shí)，由于振源是頻率較高的硬質(zhì)錘，即使長(zhǎng)徑比L/D符合行業(yè)規(guī)范中受檢樁長(zhǎng)徑比宜大于5的規(guī)定，實(shí)際縱波波速仍然比一維理論縱波波速大，偏差在4%左右，與三維理論縱波波速的偏差約為1.3%，此時(shí)采用王雪峰推薦的三維理論縱波波速計(jì)算公式也還是可以的。當(dāng)長(zhǎng)徑比L/D大于10時(shí)，實(shí)際縱波波速與一維理論縱波波速的偏差在1.6%左右，與三維理論縱波波速的偏差在3.5%左右，此時(shí)采用一維理論縱波波速計(jì)算公式更加合適。

表1 縱波波速比較

4 結(jié)語

通過對(duì)項(xiàng)目A和項(xiàng)目B的實(shí)際縱波波速來看，低應(yīng)變法在大直徑短樁的樁身完整性檢測(cè)中依然是可行的。在思想上不必受限于長(zhǎng)徑比宜大于5的規(guī)范要求。結(jié)合筆者的經(jīng)驗(yàn)，在大直徑短樁檢測(cè)中要著重采用質(zhì)地較硬的高頻錘，通過變化錘擊位置得到對(duì)大直徑短樁樁身完整性的全面判斷。根據(jù)三維應(yīng)力波傳播特征，利用縱波波速對(duì)不同長(zhǎng)徑比的三維效應(yīng)的響應(yīng)，實(shí)際檢測(cè)中首先選取長(zhǎng)徑比大于10的灌注樁以確定整批樁的一維平均縱波波速，長(zhǎng)徑比越大，所獲得的一維平均縱波波速就越接近一維理論縱波波速。當(dāng)檢測(cè)長(zhǎng)徑比介于5～10的灌注樁時(shí)，可以通過將一維平均縱波波速提高4%作為實(shí)際縱波波速用于精確計(jì)算，也可以采用王雪峰推薦的三維理論縱波波速作為實(shí)際縱波波速。當(dāng)檢測(cè)長(zhǎng)徑比小于5的灌注樁時(shí)，可以通過將一維平均縱波波速提高6%～7%作為實(shí)際縱波波速用于精確計(jì)算，長(zhǎng)徑比越小提高的越多，以避免對(duì)樁長(zhǎng)的誤判，導(dǎo)致獲得一個(gè)假樁底。此外，對(duì)大直徑短樁淺部缺陷位置的判斷同樣需要利用三維應(yīng)力波傳播特征，以避免缺陷位置被淺判。