低應變法在現役碼頭工程基樁完整性檢測中的應用

邱海 杜政

摘要：準確檢測、評估現役碼頭工程基樁的完整性，對現役碼頭的使用、修復和老舊碼頭改造升級具有重要意義。目前，國內對采用低應變法檢測既有結構基樁完整性的應用和經驗尚未成熟。文章主要通過闡述傳感器安裝方法、儀器設備性能要求和工程實際應用，探討低應變法檢測現役碼頭工程基樁完整性的可靠性。

關鍵詞：既有結構基樁;樁身完整性;低應變法;傳感器安裝;儀器設備;工程實例

0 引言

對受到臺風、地震、船只碰撞等因素可能造成基樁出現不同程度損害的現役碼頭工程和擬改造升級但缺乏基樁檢測資料的老舊碼頭，如何準確檢測、評估既有結構下基樁的完整性，對現役碼頭的使用、修復和對老舊碼頭的改造升級都具有重要意義，甚至可以避免重大經濟損失和人員傷亡。目前，低應變法在樁頂自由條件下檢測基樁完整性技術成熟、經驗豐富，但對既有結構下的基樁，利用傳統檢測方法——低應變法檢測其完整性時，受到的干擾因素和約束條件增多，發展較慢，理論水平及實際檢測應用還沒有十分成熟，因此對儀器設備的性能和技術人員的現場經驗及分析水平上提出了更高的要求。目前只有住房和城鄉建設部在2018年頒發了《既有建筑地基基礎檢測技術標準》（JGJ/T422-2018）（下稱“標準”），其他相行業尚未頒布相關檢測技術標準或規范。

1 低應變信號分析原理

低應變法檢測基樁完整性的基本原理是假設樁端自由的基樁為一維彈性桿，通過在樁頂施加激振信號產生應力波，應力波在樁身的傳播符合一維桿應力波波動方程，如式（1）、式（2）所示。

應力波沿樁身傳播過程中，遇到不連續界面（如蜂窩、夾泥、斷裂、孔洞等缺陷）和樁底面（即波阻抗發生變化）時，將產生反射波，由波陣面動量守恒條件和應力波在阻抗界面

由式（3）和式（4）分析可以得知，當樁身存在縮徑、離析、斷裂、夾泥等缺陷時，下段的波阻抗變小。此時，在入射波和樁底反射波到達時間之間，會得到與入射波同相的反射波，多次反射波幅值會逐次減小，但相位不發生變化。當樁身擴徑，下段波阻抗變大。此時，在入射波和樁底反射波到達時間之間，會得到與入射波反相的反射波，多次反射波幅值會逐次減小，相位會隨反射的次數變化。當樁界面上下段的波阻抗相差越大時，反射系數越大，故所測到的反射波也越明顯，由此作為判斷樁身缺陷嚴重程度的依據。

2 檢測方法

根據既有結構下基樁頂部出露情況，標準中規定了以下兩種檢測方法：

（1）樁頂面部分出露時，傳感器可根據樁頂面出露情況對稱布置安裝于出露的樁頂面，錘擊位置為樁頂面出露部分的中心。在現役碼頭工程中，樁頂面出露或部分出露的情況極少。

（2）樁側出露時，傳感器可安裝于樁側面，距上部構件底部不應小于0.5倍樁徑，錘擊樁軸線對應的結構頂面或通過樁頂正上方的構件靠近樁中心的不同位置錘擊，確定合適的錘擊位置。傳感器可以采用單個傳感器也可以采用雙傳感器，本文中只討論單傳感器檢測。這種方法傳感器安裝較為簡單，可采用黏性高的耦合劑安裝頂置式傳感器或在安裝位置打入膨脹螺栓安裝側置式傳感器，類似高應變加速度傳感器安裝。這種安裝方法很難保證傳感器的安裝質量，同時膨脹螺栓會帶來附加干擾，而且目前市面上側置式傳感器存在靈敏度不高等問題，采集效果相對較差，筆者建議暫時不要在工程檢測中使用這類傳感器。頂置式傳感器相對較好，但也會受到如承臺或連系梁底面的反射信號、梁柱節點處的反射信號等橫向振蕩信號甚至是上部既有結構本身缺陷等的反射信號的干擾，極大增加分析判斷難度。經過多次工程驗證檢測，筆者對樁側傳感器的安裝方法進行了局部改進，即采用微破損法安裝：在樁側位置開鑿凹槽安裝傳感器，在既有結構頂面或樁中心附近錘擊，采用信號增強技術或多次信號疊加方式，提高信噪比，可以較好地抵抗橫向干擾，提高信號的有效成分。

3 儀器設備

由于受到既有結構的約束，筆者建議選用具有較好抵抗橫向干擾性能、頻率寬、縱向靈敏度>100mV/g的加速度傳感器和濾波功能較好的信號采集儀。錘擊設備可以選擇重量較大的力錘或力棒，質量輕的力錘或力棒無法激發采集信號或信號振蕩嚴重、樁底反射不明顯?，F場錘擊宜選用軟質錘（棒）頭或在錘擊面鋪墊合適的膠墊，這樣的激振產生的頻率低，高頻波信號少。低頻應力波脈寬大，在傳播過程中衰減慢，適合檢測樁身深部缺陷和樁底反射;高頻信號脈寬窄，衰減快，適合檢測樁身淺部缺陷，但由于受到既有上部結構的影響，采用高頻信號分析樁身淺部缺陷容易出現誤判。

4 工程實例

海南某港口老碼頭混凝土灌注樁，樁徑為1.0m，現澆梁板結構?；鶚堵懵恫糠只炷翛_刷嚴重，為對碼頭結構的安全性進行評估，需要檢測基樁完整性。本次檢測采用頂置式加速度計，在距上部結構底部0.5D樁徑位置分別按圖1和圖2中a、b兩種方式安裝，安裝方式b為在安裝位置開鑿一個約2～3cm的深楔形槽。在樁中心頂部結構面采用重量30kg、材質剛度低的力棒錘擊方式進行采集數據。檢測示意圖見下頁圖3。

從圖1的時域曲線可以看出，受到既有上部結構無效的下行波和橫向分量的疊加干擾，信號震蕩嚴重，對信號的分析解讀和完整性判斷增加了很大的困難，容易造成誤判。圖2的時域曲線前段相對復雜，中、后段干擾大大減弱，樁身信息反映基本清晰。曲線中段存在1個明顯的同相反射，樁底信號明顯。由于碼頭建設時間較為久遠，灌注樁施工日期、樁長、樁身混凝土強度及配合比、地質資料缺失，且無本地區相同樁型及成樁工藝的其他樁基工程的平均聲速實測值，因此以平均波速為3800m/s推算灌注樁樁長為22.8m，缺陷位置為11.4m。頻譜曲線上樁底相鄰諧振峰頻度頻差Δf=84Hz、缺陷相鄰諧振峰頻度頻差Δf′=169Hz，根據關系式（5），計算樁長為22.6m、缺陷位置為11.2m，與時域信號判斷結果基本一致。

由于應力波在傳播過程中受到既有上部結構無效的下行波疊加干擾，波形曲線前段較為復雜，但是鑒于傳感器安裝點距離樁頂一般比較近，所以干擾信號只會影響樁身淺部缺陷的識別。對此，在波形分析過程中，建議跳過波形曲線前段的分析，重點關注曲線中、后段反饋的信息。通常情況下，樁身上部裸露或水下段，一般建議采用目測、聲波透射檢測或水下攝像、水下探摸等方式進行驗證檢測。

5 結語

本次低應變檢測結果表明，在樁側采用微破損方式安裝傳感器、樁頂錘擊方式檢測既有結構基樁完整性是可行的，可以較好地進行現役碼頭工程基樁的完整性檢測。

但是由于低應變法在現役碼頭工程基樁完整性檢測發展中尚不夠成熟，因此在檢測過程中，檢測人員不但需要具備扎實的行波傳播理論基礎、低應變應力反射波數據分析處理能力，同時需要具備豐富的工程檢測經驗，采用合理的傳感器安裝檢測系統。

參考文獻：

[1]JGJ/T422-2018，既有建筑地基基礎檢測技術標準[S].

[2]彭志豪.高樁碼頭在役樁基完整性檢測方法研究[D].天津：天津大學，2008.

[3]柴華友，劉明貴，李 祺.應力波在平臺—樁系統中傳播的實驗研究[J].巖土力學，2002，23（4）：459-464.