基樁嚴重淺部缺陷檢測的理論與工程實踐

楊建強

（鄭州市公路工程質量監督站 河南鄭州 450007）

摘  要  在瞬態激勵作用下，一維桿彈性波動理論不再滿足，缺陷以上樁體表現為剛體阻尼振動，基于牛頓第二定律，建立了其在瞬態激勵作用下，缺陷以上樁體的振動模型，并結合工程實踐，分析了當基樁存在淺部嚴重缺陷時其低應變實測曲線的特征。

關鍵詞  基樁，淺部缺陷， 振動模型， 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

隨著我國建筑事業的發展，樁基已成為一種重要的基礎形式，在高層建筑、重型廠房、橋梁、港口、碼頭、海上采油平臺、核電站工程以及地震區、軟土地區、濕陷性黃土地區、膨脹土地區和凍土地區的地基處理中得到廣泛地應用。樁基工程除因受巖土工程條件、基礎與結構設計、樁土體系相互作用、施工以及專業技術水平和經驗等關聯因素的影響而具有復雜性外，樁的施工還具有高度的隱蔽性，發現質量問題難，事故處理更難。因此，樁基檢測工作是整個樁基工程中*的環節，只有提高樁基檢測工作的質量和檢測評定結果的可靠性，才能真正地確保樁基工程的質量與安全^[1~5]。

基樁的樁身如果存在嚴重缺陷，會造成建筑物基礎隱患，當缺陷位于樁的淺部時，將影響上部荷載的向下傳遞，同時會在缺陷部位產生應力集中現象，其破壞后果將更為嚴重。然而，在基樁低應變動力檢測實踐中，利用現有一維桿彈性波反射理論很難對樁身淺部存在嚴重缺陷的實測曲線進行準確的分析。本文建立了當基樁存在淺部嚴重缺陷時，樁體上段所滿足的剛體阻尼振動模型，并結合實際工程經驗，對其低應變實測曲線特征進行了總結。

2  樁體振動模型

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

             (1)

垂直入射的應力波在樁內傳播過程中，當樁內存在有波阻抗差異界面時，波將產生反射波和透射波，反射波將沿樁身反向傳播到樁頂，而透射波繼續向下傳播。樁身的缺陷、樁底均可以根據反射波的相位、振幅、頻率特性，輔以地層資料、施工記錄以及實踐分析經驗，對其性質作出確切的判斷^[7,8]。

然而，當基樁存在淺部嚴重缺陷（例如斷裂、嚴重縮徑、嚴重離析等）時，激振引發的振動集中在缺陷以上樁體段，缺陷以上樁體的主要運動形式應表現為剛體阻尼振動，而不再滿足一維桿彈性波動理論。這是因為，在實際工程中，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，在基樁存在淺部嚴重缺陷情形下，當外力突然施加于樁頂時，缺陷以上樁體可視為剛體，缺陷部位處出露的鋼筋籠等價于彈簧支撐，淺部樁周土的阻力可視為附加一個阻尼器，這樣便構成一個簡化的振動系統。其物理模型如圖 設坐標軸x與樁軸線方向一致，并取向下為正，坐標原點與剛體段（以M表示，其質量亦設為M）的中心重合。

當突然施加外力 于M時，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）

負號代表彈性力的方向與位移方向相反；

         （3）

負號表示粘滯阻力的方向和剛體段運動速度方向相反。由牛頓第二定律得：

           （4）

即    

         （5）

令             

（5）式變為：

          （6）

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

當基樁淺部存在嚴重缺陷時，淺層樁側土的阻力較小，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。

     假定初始時刻 ，滿足以下條件：

                      (8)

可以解得：

                      (9)

則  

           （10）

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

    （11）

  （12）

其中， ， 

根據（10）、（11）、（12）三式，可以得出其振動特性：振幅隨時間t的變化呈指數規律衰減，衰減的快慢取決于阻尼系數β，即與樁側土的粘滯阻尼系數η和剛體的質量M的大小有關，η愈大，M愈小，振動響應的振幅衰減就愈快，反之亦然。

3 工程實踐

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

圖2.完整樁的實測曲線

   圖（2）為一預制方樁的實測曲線，400×400mm²,樁長9.0m，樁身砼強度等級C30。測試時小錘激發。實測曲線規則，除初動波外，僅有樁底產生的反射波（9.0m）存在。

   圖（3）～圖（6）為淺部存在嚴重缺陷的工程樁和模型樁的實測曲線。

圖3. 854#樁低應變實測曲線

圖4. 74#樁低應變實測曲線斜斷裂面

圖5.HW6#樁低應變實測曲線（小錘激發）

圖6. HW6#樁低應變實測曲線（大錘激發）

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

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

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

4 結論

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

1.曲線基本形態為長周期的正弦振蕩曲線，總體呈指數規律衰減。

    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“陷幅”現象。

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

4.當缺陷為全部斷裂時，實測曲線往往表現為正弦振蕩信號；當缺陷為局部斷裂或嚴重縮徑時，振蕩曲線上疊加有缺陷斷面的反射波。

當基樁淺部存在嚴重缺陷，基樁樁頂受到瞬時激振時，其主要運動形式為缺陷以上樁體段的剛體阻尼振動，而非一維波動。縱然存在“盲區”現象，根據上述理論和實踐，樁身“盲區”內存在嚴重缺陷時，仍是可以判斷的，樁基淺部缺陷的波動特征分析還依賴于工程實踐經驗，其理論有待進一步探討。

參 考 文 獻

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

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

[3]  徐攸在,劉興滿.樁的動測新技術.北京:中國建筑工業出版社,1989.

[4] 柴華友. 劉明貴. 李祺. 陳星燁.應力波在平臺-樁系統中傳播的實驗研究.巖土力學， 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用. 巖土工程界，2000(8)：23～25

[6]  中國建筑科學研究院. JGJ/T93-95. 基樁低應變動力檢測規程. 北京: 中國建筑工業出版社, 1997

[7]   柳祖亭、顧利平、駱英等. 樁基振動分析與質量監測. 南京: 東南大學出版社, 1995

[8]  雷林源. 樁基瞬態動測響應的數學模型與基本特性. 地球物理學報. ,1992年第4期.