淺談建筑樁基及其質(zhì)量檢測(cè)方法

沈紅梅

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)江蘇有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

樁基礎(chǔ)是建設(shè)工程中重要的基礎(chǔ)類型。樁基礎(chǔ)工程的質(zhì)量決定建筑主體結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性。樁基礎(chǔ)屬于隱蔽性工程，控制其質(zhì)量較難。因此，樁基質(zhì)量檢測(cè)顯得特別重要。近年來，工程建設(shè)發(fā)展迅速，工程質(zhì)量要求不斷提高，樁基檢測(cè)技術(shù)將在工程建設(shè)中起到重要的作用。

2 建筑樁基應(yīng)用歷史

樁基礎(chǔ)這一種基礎(chǔ)形式很早就被人類所利用。在很久以前的新石器時(shí)代，人類已經(jīng)將木樁用作基礎(chǔ)建造房屋。人類使用木樁歷經(jīng)很長時(shí)間。19世紀(jì)初，開始采用鋼板樁建造碼頭。19世紀(jì)末，鋼材、水泥開始普遍使用，樁的材料有了根本性的改變。20世紀(jì)初，在美國鋼樁得到廣泛應(yīng)用。1949年出現(xiàn)鋼筋混凝土管樁。50年代我國也開始使用預(yù)制鋼筋混凝土樁[1]。

從此，隨著樁基技術(shù)不斷成熟，為樁基礎(chǔ)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的使用提供了有力保障。如今，樁基礎(chǔ)的使用越來越廣泛，樁基檢測(cè)技術(shù)也不斷向前推進(jìn)發(fā)展。

3 建筑基樁主要分類與檢測(cè)方法

樁基礎(chǔ)中的單樁稱為基樁，基樁的分類方法很多。按樁制作方式可分成預(yù)制樁、灌注樁等；按荷載傳遞方式劃分有摩擦型樁、端承型樁；按樁設(shè)置時(shí)對(duì)土的作用分為擠土樁、非擠土樁等；按樁的材料分成鋼樁、混凝土樁等。

基樁檢測(cè)方法種類繁多。按施加荷載分，有靜力法、動(dòng)力法。按檢測(cè)結(jié)果性質(zhì)分直接法、間接法。就檢測(cè)內(nèi)容而言分完整性檢測(cè)、承載力檢測(cè)等。

4 樁身完整性檢測(cè)

4.1 低應(yīng)變反射波法

低應(yīng)變法是以一維波動(dòng)方程的波動(dòng)解為基礎(chǔ)。將樁視為一維彈性桿，在樁頂作用一外力，力向下傳遞。當(dāng)存在明顯的波阻抗（ρAS）時(shí)，應(yīng)力波產(chǎn)生反射與透射。波阻抗Z 的變化決定反射的相位與幅值。如圖1所示。

圖1 樁身阻抗變化

Z1表示上部樁界面的波阻抗，下部樁界面波阻抗為Z2。根據(jù)變截面處平衡條件得：

下標(biāo)R、I、T 指反射、入射和透射IF、IV為透射系數(shù)，RF、Rv為反射系數(shù)。兩種介質(zhì)的波阻抗決定反射與透射的程度。波阻抗差距較小時(shí)，反射程度較小透射程度較大。波阻抗相差較大時(shí)，透射程度較小反射程度較大。當(dāng)樁身遇到縮頸、斷裂、離析等缺陷時(shí)，Z2＜ Z1，由式（2）可得VR、VI同號(hào)，入射波與反射波同相位。當(dāng)樁底支撐介質(zhì)較硬，樁身存在鼓肚、擴(kuò)頸時(shí)，Z2＞Z1，由式（2）推出VR、VI符號(hào)相反，入射波相位與反射波反向。當(dāng)樁截面均勻無缺陷時(shí)，只有單一的透射波。若樁底為巖石層，則反射波與入射波反向。若樁底為一般軟質(zhì)土層，則反射波、入射波同向。

4.2 鉆探取芯法

鉆芯法是判定成樁質(zhì)量的有效方法。鉆芯法對(duì)查清樁身是否存在大量夾泥、孔洞等效果顯著。而對(duì)水平裂縫、局部缺陷等的判斷不一定準(zhǔn)確。鉆芯法可直觀檢查樁身的完整性也能夠測(cè)出樁長、沉渣厚度等參數(shù)。但此方法操作不便、設(shè)備龐大、成本過高。因此鉆芯法只能用于抽樣檢查，不宜進(jìn)行大批量的檢測(cè)。

鉆芯法是一種局部破損的檢測(cè)方法。采用金剛石鉆頭進(jìn)行取樣，回次鉆進(jìn)，進(jìn)尺長度宜在1.5m 以內(nèi)。鉆進(jìn)中，應(yīng)多次校正鉆機(jī)垂直度。在樣品箱中把取出的芯樣沿深度編號(hào)擺好。將芯樣做成試件時(shí)宜采用鋸切法。規(guī)范對(duì)試件的垂直度、平整度要求很高，可以采用補(bǔ)平或研磨的方法處理芯樣。芯樣試件混凝土抗壓強(qiáng)度可按下式得出：

式中：fccu為試件的抗壓強(qiáng)度，精確至0.1MPa；P 為試件的破壞荷載；A 為試件的承壓面積；α 為試件的強(qiáng)度換算系數(shù)；ξ 為試件的抗壓強(qiáng)度折算系數(shù)。

鉆芯法要求有良好的鉆具和較高的技術(shù)水平才能保證質(zhì)量，要求采樣率達(dá)95%以上，鉆孔垂直度偏差＜1%。當(dāng)樁身質(zhì)量評(píng)價(jià)滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)樁上留下的孔洞。

4.3 聲波透射法

聲波透射法廣泛應(yīng)用于樁身完整性檢測(cè)中。該法是利用了聲波透射原理。聲波在介質(zhì)中傳播有一定的速度范圍。當(dāng)傳播中遇到樁身夾泥、斷裂等缺陷時(shí)，聲波會(huì)減弱。造成聲波計(jì)算速度降低，波形不正常變化。可利用超聲波相關(guān)性質(zhì)參數(shù)的改變，檢測(cè)分析樁身質(zhì)量。

聲測(cè)管應(yīng)預(yù)先埋入灌注樁中，可焊接在鋼筋籠內(nèi)側(cè)。聲測(cè)管的下口應(yīng)嚴(yán)格封閉。上頂端應(yīng)加蓋封閉管口，以防雜物落入管內(nèi)。按以下規(guī)定埋設(shè)：樁徑為0.6～1.0m 時(shí)埋設(shè)2 根：；1.0～2.5m 應(yīng)埋設(shè)3 根；2.5m 以上時(shí)埋設(shè)4 根。聲測(cè)管布置方式如圖2所示：

圖2 聲測(cè)管布置示意圖

聲波檢測(cè)法是非破損的間接法檢測(cè)。只能用聲波定性的判定混凝土的強(qiáng)度。如何根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)更全面的評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量還要結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)綜合分析。

5 樁的承載力檢測(cè)

5.1 靜荷載試驗(yàn)法

樁的靜載試驗(yàn)是目前比較權(quán)威的檢測(cè)承載力的手段。按樁的受荷載條件，靜荷載試驗(yàn)可分為豎向抗壓、抗拔以及水平靜載試驗(yàn)。

5.1.1 豎向抗壓靜載試驗(yàn)

荷載作用于樁頂時(shí)，將使樁產(chǎn)生位移，可得到荷載沉降曲線即Q S- 曲線，還可獲得樁頂沉降隨時(shí)間的變化曲線。對(duì)于單樁荷載在4000kN 以上的重要建筑物時(shí)，宜埋設(shè)測(cè)試元件，可測(cè)定各土層極限側(cè)阻力、端阻力。加載裝置一般用油壓千斤頂。當(dāng)使用兩個(gè)或多個(gè)千斤頂加載時(shí)，應(yīng)采用同種型號(hào)和規(guī)格的千斤頂工作。根據(jù)實(shí)際情況選擇加載反力裝置包括：錨樁橫梁反力裝置、地錨反力裝置等。按不同的檢測(cè)需要，加載方式可分為：慢速、快速維持荷載法、循環(huán)加卸載法等。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)成果曲線，確定極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

5.1.2 豎向抗拔靜載試驗(yàn)

建筑物受抗壓荷載與豎向抗拔荷載的共同作用，有時(shí)上拔力較大成為主要荷載。高層建筑的基礎(chǔ)、地下室、膨脹土地基上的建筑物都要求承受上拔力。當(dāng)前，上拔承載力的計(jì)算方法不夠成熟，現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)就顯得尤為重要。試驗(yàn)宜使用支座樁提供反力，考慮場(chǎng)地條件也可利用天然地基提供反力。抗拔檢測(cè)一般使用慢速加載法。有時(shí)結(jié)合實(shí)際需要也可采取多循環(huán)加、卸載方法。豎向抗拔承載力的判定：在陡變型U-δ 曲線中，取陡升點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載；在緩變形U -δ 曲線中，綜合評(píng)定上拔量與δ -lgt 曲線變化，取Δ-lgt 曲線斜率明顯變大的前一級(jí)荷載作為極限荷載。

5.1.3 水平靜載試驗(yàn)

樁會(huì)受到如風(fēng)力、地震力等水平力作用。隨著高層建筑的大量興建，水平荷載成為樁基工程的控制因素，樁基的水平承載力和位移計(jì)算成為樁基工程的重要工作。試樁一般使用臥式千斤頂加載。采取荷重傳感器或測(cè)力環(huán)測(cè)定荷載大小。反力裝置一般使用反力樁、橫梁反力架。選用大量程百分表量測(cè)水平位移。由量測(cè)的樁身應(yīng)變算出水平荷載作用下的彎矩。水平靜載試驗(yàn)常采用單向多循環(huán)加卸載法。由檢測(cè)數(shù)據(jù)確定水平臨界荷載、極限荷載。繪制關(guān)系曲線需要得到水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)?？砂聪率酱_定：

式中：m 為水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；α 為樁的水平變形系數(shù)；vx為樁頂水平位移系數(shù)；Hcr為水平臨界荷載；xcr為水平臨界荷載對(duì)應(yīng)位移；b0為樁身計(jì)算寬度。

5.2 高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法

5.2.1 波動(dòng)方程半經(jīng)驗(yàn)解析法（CASE 法）

CASE 法習(xí)慣上也稱為Case-Goble 法。該方法由美國俄亥俄州凱斯大學(xué)教授G.C.Goble 教授于1975年首先提出。CASE 法是以行波理論為基礎(chǔ)的。利用PDA 打樁分析儀（Pile Driving Analyzer），可以在現(xiàn)場(chǎng)立即測(cè)得錘擊能量、打擊應(yīng)力等參數(shù)。CASE 法將樁看作連續(xù)的彈性桿，并假定：1）樁為一細(xì)長均質(zhì)連續(xù)的彈性體；2）動(dòng)阻力主要集中于樁尖；3）應(yīng)力波沒有能量耗散和信號(hào)畸變。依據(jù)下式得出樁承載力：

式中：RC為靜阻力；RD為動(dòng)阻力；JC為樁尖土阻尼系數(shù)；F1、F2分別為t1、t2時(shí)刻的錘擊力；V1、V2分別為t1、t2時(shí)刻的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度。

結(jié)構(gòu)完整性系數(shù)β 可按下式計(jì)算：

式中：ΔR 為缺陷上部部分土阻力估計(jì)值。

5.2.2 波形擬合法

在稍微復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)條件下，當(dāng)需要更進(jìn)一步了解樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律時(shí)，用CASE 法的計(jì)算公式可能產(chǎn)生較大誤差。波形擬合法采用的是靜動(dòng)對(duì)比的經(jīng)驗(yàn)解決方法。利用CASE 法實(shí)測(cè)曲線通過編程計(jì)算獲得數(shù)值解。通過計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的多次比較迭代，不斷修改參數(shù)，直到兩條曲線基本吻合為止。進(jìn)而可以得出單樁極限承載力。不可片面尋求吻合程度，忽略參數(shù)取值的客觀性。該方法要求檢測(cè)人員具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的土力學(xué)知識(shí)以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和樁施工過程的深入了解。

6 結(jié)語

通過上面的介紹可以看到，樁基檢測(cè)方法很多，優(yōu)缺點(diǎn)明顯。在工程實(shí)踐中，檢測(cè)人員應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、施工因素等實(shí)際情況，利用綜合檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。在工程建設(shè)中，樁基檢測(cè)對(duì)于控制基樁的質(zhì)量起著非常關(guān)鍵的效用。檢測(cè)人員應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)能力，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，利用各種檢測(cè)方法解決工程實(shí)際問題，以確保建筑工程結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性。