樁側軟弱夾層對基樁低應變曲線影響分析

陶 俊 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230001）

1 引言

近年來，樁基普遍應用于各種建筑結構中，在檢測樁身完整性方面應用最多的方法是低應變反射波法，其理論基礎為一維彈性桿縱波理論。隨著高層建筑和大型橋梁等工程建設的需要，大直徑超長樁的應用越來越廣，此時樁徑過大難以滿足一維理論，由于樁側土的復雜，應力波在樁中傳播也更加復雜。因此，運用低應變反射波法檢測樁身完整性存在一定的局限性和檢測誤區。Novak研究了樁在簡諧荷載作用下的穩態振動問題，考慮均勻、各向同性樁周土對作簡諧振動的無限長剛性圓桿的作用，得到了樁周土對樁振動影響的表達式。劉東甲將有限差分方法應用于樁基低應變檢測的理論研究中，計算得到了完整樁在瞬態縱向激振力作用下的動力響應，同時考慮了樁土參數對樁縱向振動的影響。陳義全在劉東甲的基礎上，對非完整樁的瞬態縱向激振力作用下的動力響應問題進行了數值計算。段軍根據樁土系統動力學模型，提出了一維不均勻土中非完整樁在瞬態縱向激振力作用下振動的數值計算模型，并用交叉網格有限差分法計算了樁的縱向振動。本文應用三維波動理論，分析應力波在樁土系統中的傳播規律，探討軟弱夾層對樁頂振動速度曲線的影響。

2 低應變動測的三維波動理論

將樁與樁側土、樁底土當作各向同性線彈性體，樁土不分離，不考慮體力，運用直角坐標系下的彈性波動方程求解基樁的動力響應，基本方程如下：

其中，ρ為彈性體的密度，λ、μ為彈性體的拉梅系數；ν、ν、ν為質點在各方向上的速度分量；σ、σ、σ、τ、τ、τ為應力分量。

對于材料參數不連續的界面，通過調整網格使速度和剪應力的采樣點在界面上，計算點上與速度和剪應力對應的材料參數值可以用如下等效值來表示：

其中，ρ、ρ分別為計算點鄰近 2個采樣點的質量密度；μ、μ、μ、分別為計算點鄰近4個采樣點的剪切模量。

根據上述波動方程，考慮邊界條件，利用交錯網格有限差分法編制相應程序進行數值計算，探討軟弱夾層對樁頂振動速度曲線的影響。

3 樁側成層土的影響分析

當樁側土層分層時，不是單一均質土，考慮軟弱夾層，分析如下。

均為完整樁，樁徑900mm，樁長為8.0m，樁身混凝土設計強度等級為C25，樁底為中硬土，樁側土層分布情況如a、b所示：

a樁頂以下：1m～8m，中硬土。

b樁頂以下：1m～8m，中硬土；4m～5m，軟弱夾層；5m～8m，中硬土。

對其擬合時設置的主要參數：

①樁密度ρ=2450kg/m，樁長L=8.0m，泊松比μ=0.28，彈性模量

E=3.5×10N/m；

②中硬土密度ρ=1800kg/m，中硬土剪切波速v=260m/s，泊松比μ=0.36；

③軟弱夾層密度ρ=1200 kg/m，軟弱夾層剪切波速v=100m/s，泊松比μ=0.48；

④激振力沖量I=1N·s，激振力作用時間t=1m/s，激振力作用半徑x=0.02m。

得到樁頂時域豎向振動速度曲線對比如圖1所示。

圖1 軟弱夾層和樁側均勻土的速度曲線對比

從圖1可以看出，兩種情況的入射波幅值一致，對比完整樁的樁頂振動速度時域曲線，軟弱夾層的速度曲線上，在2L/c時刻前出現了與入射波同相位的反射信號，根據中華人民共和國行業標準《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）表8.4.3樁身完整性的判定，該樁應判為Ⅱ類樁，與我們假定的樁身完整矛盾。因此，當樁側土有軟弱夾層時，在樁頂時域振動速度曲線上會出現類縮徑反射信號。在實際樁基檢測過程中，低應變反射波法測得的曲線上出現“缺陷反射信號”也可能是由樁側軟弱夾層引起的。由于樁側軟弱夾層的影響，樁底反射信號的幅值變大。

圖2給出了軟弱夾層和樁側均勻土的速度振幅譜對比，從圖2可以看出，軟弱夾層和樁側均勻土的速度振幅譜曲線上，樁底諧振峰排列基本等間距，其相鄰頻差△f≈c/2L，根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）表 8.4.3 樁身完整性的判定，二者均為完整樁。因此，從速度振幅譜曲線上來看，軟弱夾層不影響對樁身完整性的判定，軟弱夾層只改變了樁土系統中某些共振峰和共振谷的幅值，不影響共振頻率。

圖2 軟弱夾層和樁側均勻土的速度振幅譜對比

為了分析樁側土軟弱夾層對樁頂振動速度曲線影響大小，圖3給出了完整樁、樁身4m處到樁底縮徑0.05m和樁側4m～5m軟弱夾層的樁頂振動速度曲線對比圖。可以看出，在樁側有軟弱夾層和縮徑樁的樁頂振動速度曲線上，入射波后均出現與入射波同相的反射信號，兩種情況下的反射信號幅度基本一樣，軟弱夾層的樁底反射幅度比縮頸樁的樁底反射幅度大。可以看出，樁側軟弱夾層對樁頂振動速度曲線的影響相當于樁身直徑從9m縮徑至8.9m，縮徑幅度為1.1%。

圖3 完整樁、縮徑樁和樁側土軟弱夾層時的速度曲線對比

4 結論

①樁側土軟弱夾層影響低應變時域曲線，表現為與入射波同相位的反射信號，對速度振幅譜基本沒影響。在實際檢測工程中若存在軟弱夾層，根據時域曲線，該樁易被誤判為樁身缺陷反射。因此，不能只根據時域曲線對樁的完整性進行判定，應結合該樁的地質情況和頻域信號綜合進行判定。

②樁側土軟弱夾層對樁頂振動速度曲線的影響大小相當于樁身直徑縮徑幅度為1.1%。