基樁嚴(yán)重淺部缺陷檢測的理論與工程實(shí)踐

楊建強(qiáng)

（鄭州市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站 河南鄭州 450007）

摘  要  在瞬態(tài)激勵(lì)作用下，一維桿彈性波動(dòng)理論不再滿足，缺陷以上樁體表現(xiàn)為剛體阻尼振動(dòng)，基于牛頓第二定律，建立了其在瞬態(tài)激勵(lì)作用下，缺陷以上樁體的振動(dòng)模型，并結(jié)合工程實(shí)踐，分析了當(dāng)基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷時(shí)其低應(yīng)變實(shí)測曲線的特征。

關(guān)鍵詞  基樁，淺部缺陷， 振動(dòng)模型， 曲線特征

THE TEST THEORY AND PRACTICE OF THE SEVERE FAULTS

IN THE UPPER PARTS OF THE PILE

YANG Jian－qiang

（Zhenzhou road engineering quality supervise department,  Henan,  Zhenzhou 450007）

Abstract    The mathematical model of the vibration about the  upper severe faults in a pile is put forward based on theoretical analysis , and the curve characters of low strain test is described according to its engineering practice .

Keywords   pile, upper faults, vibrating-model ,curve characters .

1  引言

隨著我國建筑事業(yè)的發(fā)展，樁基已成為一種重要的基礎(chǔ)形式，在高層建筑、重型廠房、橋梁、港口、碼頭、海上采油平臺(tái)、核電站工程以及地震區(qū)、軟土地區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)、膨脹土地區(qū)和凍土地區(qū)的地基處理中得到廣泛地應(yīng)用。樁基工程除因受巖土工程條件、基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樁土體系相互作用、施工以及專業(yè)技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)等關(guān)聯(lián)因素的影響而具有復(fù)雜性外，樁的施工還具有高度的隱蔽性，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題難，事故處理更難。因此，樁基檢測工作是整個(gè)樁基工程中*的環(huán)節(jié)，只有提高樁基檢測工作的質(zhì)量和檢測評定結(jié)果的可靠性，才能真正地確保樁基工程的質(zhì)量與安全^[1~5]。

基樁的樁身如果存在嚴(yán)重缺陷，會(huì)造成建筑物基礎(chǔ)隱患，當(dāng)缺陷位于樁的淺部時(shí)，將影響上部荷載的向下傳遞，同時(shí)會(huì)在缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其破壞后果將更為嚴(yán)重。然而，在基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測實(shí)踐中，利用現(xiàn)有一維桿彈性波反射理論很難對樁身淺部存在嚴(yán)重缺陷的實(shí)測曲線進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。本文建立了當(dāng)基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷時(shí)，樁體上段所滿足的剛體阻尼振動(dòng)模型，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對其低應(yīng)變實(shí)測曲線特征進(jìn)行了總結(jié)。

2  樁體振動(dòng)模型

    低應(yīng)變動(dòng)力檢測是以應(yīng)力波在樁身中的傳播反射特征為理論基礎(chǔ)的一種方法。該方法將樁假定為連續(xù)彈性的一維截面均質(zhì)桿件，并且不考慮樁周土體對沿樁身傳播應(yīng)力波的影響。當(dāng)在樁頂施加一瞬態(tài)錘擊振力，將在樁內(nèi)激發(fā)應(yīng)力波，由于樁與周土之間的波阻抗差異懸殊，應(yīng)力波的大部分能量將在樁內(nèi)傳播，當(dāng)波長Ｌ＞＞樁徑Ｄ，應(yīng)力波波長λ＞＞Ｄ時(shí)，樁可以看作一維桿件，應(yīng)力波在樁內(nèi)傳播可以采用一維桿波動(dòng)方程計(jì)算^[6]。

             (1)

垂直入射的應(yīng)力波在樁內(nèi)傳播過程中，當(dāng)樁內(nèi)存在有波阻抗差異界面時(shí)，波將產(chǎn)生反射波和透射波，反射波將沿樁身反向傳播到樁頂，而透射波繼續(xù)向下傳播。樁身的缺陷、樁底均可以根據(jù)反射波的相位、振幅、頻率特性，輔以地層資料、施工記錄以及實(shí)踐分析經(jīng)驗(yàn)，對其性質(zhì)作出確切的判斷^[7,8]。

然而，當(dāng)基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷（例如斷裂、嚴(yán)重縮徑、嚴(yán)重離析等）時(shí)，激振引發(fā)的振動(dòng)集中在缺陷以上樁體段，缺陷以上樁體的主要運(yùn)動(dòng)形式應(yīng)表現(xiàn)為剛體阻尼振動(dòng)，而不再滿足一維桿彈性波動(dòng)理論。這是因?yàn)?，在?shí)際工程中，樁身上段通常配有鋼筋籠，而鋼筋的彈性較之混凝土的彈性大得多，而且，淺部樁周土層的摩阻力通常很小。因此，在基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷情形下，當(dāng)外力突然施加于樁頂時(shí)，缺陷以上樁體可視為剛體，缺陷部位處出露的鋼筋籠等價(jià)于彈簧支撐，淺部樁周土的阻力可視為附加一個(gè)阻尼器，這樣便構(gòu)成一個(gè)簡化的振動(dòng)系統(tǒng)。其物理模型如圖 設(shè)坐標(biāo)軸x與樁軸線方向一致，并取向下為正，坐標(biāo)原點(diǎn)與剛體段（以M表示，其質(zhì)量亦設(shè)為M）的中心重合。

當(dāng)突然施加外力 于M時(shí)，M受到的力有：外部的激振力 、彈簧的彈性支撐力 和阻尼器的粘滯阻力 ，其中，彈性力  

               （2）

負(fù)號代表彈性力的方向與位移方向相反；

         （3）

負(fù)號表示粘滯阻力的方向和剛體段運(yùn)動(dòng)速度方向相反。由牛頓第二定律得：

           （4）

即    

         （5）

令             

（5）式變?yōu)椋?/p>

          （6）

式中，β稱為樁側(cè)土的粘滯阻尼系數(shù)，其單位為s^-1，ω稱為剛體段的自振園頻率。

當(dāng)基樁淺部存在嚴(yán)重缺陷時(shí)，淺層樁側(cè)土的阻力較小，僅考慮小阻尼（即β<ω）情況。

  （6）式的通解為：

      （7）

稱為阻尼自振園頻率。其中A1和A2為待定系數(shù)。

     假定初始時(shí)刻 ，滿足以下條件：

                      (8)

可以解得：

                      (9)

則  

           （10）

由于實(shí)際工程檢測中常采用速度或加速度傳感器，故需求出振動(dòng)的速度函數(shù) 和加速度函數(shù) 。

    （11）

  （12）

其中， ， 

根據(jù)（10）、（11）、（12）三式，可以得出其振動(dòng)特性：振幅隨時(shí)間t的變化呈指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的快慢取決于阻尼系數(shù)β，即與樁側(cè)土的粘滯阻尼系數(shù)η和剛體的質(zhì)量M的大小有關(guān)，η愈大，M愈小，振動(dòng)響應(yīng)的振幅衰減就愈快，反之亦然。

3 工程實(shí)踐

為了更好地說明基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷時(shí)實(shí)測曲線特征，本文首先給出一條典型的完整樁的實(shí)測曲線，如圖2所示，基本特征滿足（1）式。

圖2.完整樁的實(shí)測曲線

   圖（2）為一預(yù)制方樁的實(shí)測曲線，400×400mm²,樁長9.0m，樁身砼強(qiáng)度等級C30。測試時(shí)小錘激發(fā)。實(shí)測曲線規(guī)則，除初動(dòng)波外，僅有樁底產(chǎn)生的反射波（9.0m）存在。

   圖（3）～圖（6）為淺部存在嚴(yán)重缺陷的工程樁和模型樁的實(shí)測曲線。

圖3. 854#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線

圖4. 74#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線斜斷裂面

圖5.HW6#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線（小錘激發(fā)）

圖6. HW6#樁低應(yīng)變實(shí)測曲線（大錘激發(fā)）

    圖3為鉆孔灌注樁（樁底后注漿），樁徑600mm，樁長21.7m，樁身砼強(qiáng)度等級C25，小錘激振。該曲線基本形態(tài)為長周期的正弦振蕩曲線，初動(dòng)波上疊加有1.2m斷裂缺陷的多次反射波，無樁底反射信息。開挖結(jié)果表明，該樁1.2m處嚴(yán)重夾泥，形成斷樁。

   圖4為鉆孔灌注樁，樁徑600mm，樁長16.0m，樁身砼強(qiáng)度等級C20。小錘激發(fā)。該曲線基本形態(tài)為正弦振蕩曲線，無樁底反射信息。開挖結(jié)果表明，該樁0.5m～0.8m存在一個(gè)斜斷裂面。

     圖5和圖6為預(yù)制模型方樁，450×450mm2,樁長6.0m，樁身砼強(qiáng)度等級C20，1.0m設(shè)置一斷裂面 。圖5為1kg鐵錘激發(fā)，圖6為8磅鐵錘激發(fā)，該曲線基本形態(tài)為長周期的正弦振蕩曲線，因小錘激勵(lì)的為斷面反射波與質(zhì)—彈系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)的疊加，而大錘所激勵(lì)的為（6）式的質(zhì)—彈系統(tǒng)共振，這表明小錘激發(fā)測淺部缺陷效果要比大錘好得多。

4 結(jié)論

根據(jù)大量工程樁的實(shí)測以及開挖驗(yàn)證的結(jié)果，基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷時(shí)的實(shí)測曲線除滿足（7）式的基本特征外，還與錘的重量、錘頭的材料、碰擊時(shí)間、基樁的齡期、傳感器的安裝等有關(guān)，綜合其特征如下：

1.曲線基本形態(tài)為長周期的正弦振蕩曲線，總體呈指數(shù)規(guī)律衰減。

    2.敲擊之后，首先記錄到的首波的波幅較正常樁明顯大，甚至出現(xiàn)“陷幅”現(xiàn)象。

    3.首波后往往疊加有淺部缺陷的多次反射波，小錘敲擊時(shí)更加明顯，而大錘敲擊時(shí)產(chǎn)生的缺陷反射波則不明顯。

4.當(dāng)缺陷為全部斷裂時(shí)，實(shí)測曲線往往表現(xiàn)為正弦振蕩信號；當(dāng)缺陷為局部斷裂或嚴(yán)重縮徑時(shí)，振蕩曲線上疊加有缺陷斷面的反射波。

當(dāng)基樁淺部存在嚴(yán)重缺陷，基樁樁頂受到瞬時(shí)激振時(shí)，其主要運(yùn)動(dòng)形式為缺陷以上樁體段的剛體阻尼振動(dòng)，而非一維波動(dòng)。縱然存在“盲區(qū)”現(xiàn)象，根據(jù)上述理論和實(shí)踐，樁身“盲區(qū)”內(nèi)存在嚴(yán)重缺陷時(shí)，仍是可以判斷的，樁基淺部缺陷的波動(dòng)特征分析還依賴于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其理論有待進(jìn)一步探討。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉明貴，佘詩剛，汪大國. 樁基檢測技術(shù)指南[M]. 北京：科學(xué)出版社，1995

[2] 劉明貴，蔡忠理，佘詩剛. 基樁與場地檢測技術(shù)[M]. 武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1995

[3]  徐攸在,劉興滿.樁的動(dòng)測新技術(shù).北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[4] 柴華友. 劉明貴. 李祺. 陳星燁.應(yīng)力波在平臺(tái)-樁系統(tǒng)中傳播的實(shí)驗(yàn)研究.巖土力學(xué)， 2002年04期

[5]  方志香，吳亞平. 反射波法在基樁完整性檢測中的應(yīng)用. 巖土工程界，2000(8)：23～25

[6]  中國建筑科學(xué)研究院. JGJ/T93-95. 基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測規(guī)程. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1997

[7]   柳祖亭、顧利平、駱英等. 樁基振動(dòng)分析與質(zhì)量監(jiān)測. 南京: 東南大學(xué)出版社, 1995

[8]  雷林源. 樁基瞬態(tài)動(dòng)測響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型與基本特性. 地球物理學(xué)報(bào). ,1992年第4期.