高應變動測法在基樁承載力檢測中的應用研究

張 龍（佛山市公路橋梁工程監測站有限公司，廣東 佛山 528000）

基樁作為工程行業使用范圍最廣的隱蔽性基礎形式[1-4]，由于其施工難度大、技術要求高、施工不當，極易造成嚴重的質量問題，為了整體把控基樁承載力問題以滿足設計要求，往往需要對工程樁的承載能力情況進行檢測。靜載荷試驗作為目前最可靠直觀的檢測方法，運用較為成熟，但其效率低、費用高，在工程上不適用于大范圍的抽檢。作為一種無損檢測方法，高應變法的理論和檢測設備近年來都得到快速發展，高應變法運用于基樁承載力檢測的范圍也越來越大，同時也逐漸走向成熟[5-7]。但高應變法在試驗過程的規范性、參數選取及經驗，對于檢測結果的影響較大，本文基于眾多實踐經驗，提出了檢測過程的流程化要點，通過典型工程實例與靜載試驗的驗證比對分析，為同類型工程提供了借鑒。

1 高應變法基本原理

1.1 基本原理

如圖1所示，用重錘撞擊樁頂給樁頂產生較高能量的沖擊脈沖，迫使樁與土之間產生一個相對位移，自上而下依次激發樁周土阻力及樁端的巖土阻力，通過安裝在樁身端部兩側的力和加速度傳感器接收樁的應力波信號，通過速度時程曲線和應力波理論[8]分析，從而判定樁的承載力。

圖1 試驗原理圖

1.2 Case法檢測樁的完整性

（1）阻尼系數法RSP：也稱為標準凱斯算法，一般在單擊貫入度6mm～7mm時較為適用。阻尼系數Jc的取值決定了樁基的承載力，而樁端土層的性質與阻尼系數Jc有著密切的相關性，工程實際運用中還應結合本地區的地區經驗取值。

（2）最大阻力法RMX：主要適用于端承樁樁側土阻力來不及充分發揮且端阻力發揮所需位移較大的情況，經驗表明由最大土阻力法計算所得承載力偏高。

（3）最小阻力法RMN：樁底不明顯時，更偏安全；適用于單擊貫入度較大、樁底反射滯后、樁身存在缺陷的情況。

（4）卸載法RSU：大摩阻長樁，考慮了阻力的卸載效應。

表1 Case法阻尼系數參考經驗值

承載力計算公式如下：

截面的完整性系數定義為β=Z2/Z1，經過推導可得：

式中Z-安裝傳感器位置的樁身阻抗；

tx-缺陷反射峰對應的時刻；

Rx-缺陷點X以上的樁周土阻力。

表2 完整性判斷指標

1.3 Case法的適用性

①只限于中、小直徑樁；②樁身截面和材質應基本均勻；③阻尼系數Jc應根據相近條件下的靜載荷試驗結果進行校核；④在場地情況相近、截面尺寸及樁型相同的條件下，Jc取值的極差不宜大于平均值的30%。

2 試驗過程的重點和難點

2.1 試樁樁頭處理

2.1.1 灌注樁的處理

先清除樁頭浮漿、松散、破損部分，露出堅硬、平整、干凈的混凝土表面，然后在原樁頂上接3m長樁帽。樁帽混凝土強度等級不得低于C40（且齡期至少10d）。樁身主筋應進行清理取直，且全部通過接長的方式直至澆筑樁帽保護層之下。試驗前在距接樁后的樁帽頂1倍樁徑范圍內，采用高強度鋼板（厚度3mm～5mm）將樁帽整體包裹。

2.1.2 預制樁的處理

用打樁機的柴油錘作為沖擊設備時，需留出足夠長的樁用于安裝傳感器。現場應進行必要的整平和清理，以確保重力錘自由落錘作沖擊時吊裝設備不至于傾倒。對于混凝土預制樁樁頭有嚴重損傷或鋼樁樁頭出現明顯變形的，應鋸掉損傷部分。每根樁準備面積稍大于樁身直徑或邊長、厚度為20mm的勻質木板5～10塊。

2.2 關于貫入度

高應變承載力檢測時宜實測樁的貫入度，規范中要求2mm～6mm的貫入度只是從保證承載力分析計算結果的可靠性出發，給出的貫入度合適范圍，只是一個統計參考值。現場采用高精度的水準儀對樁體的貫入度進行監測，用打樁機作為錘擊設備時，可根據連續多次錘擊下的總沉降量來確定貫入度數值。

2.3 錘擊偏心

由于安裝及吊裝落錘的過程難以保證垂直，偏心情況不可避免的產生。錘擊偏心嚴重時可以調整導向架重新整平對中，錘擊偏心較嚴重時可以采用調整木板（錘墊）的擺放位置或鋪沙來解決。

2.4 錘重選擇

對于預制樁應該首選柴油錘，因其操作方便準備工作簡單，在無柴油錘情況下使用5T方錘激振，對于灌注樁設計容許值小于5000kN的使用10T錘激振，設計容許值大于5000kN但小于10000kN使用20T錘激振。

2.5 異常情況處理

（1）檢測過程中發現樁頂破裂：如有必要，需更換檢測工程樁。

（2）力傳感器的A/D初偏值超出規定范圍：拆下該傳感器，重新安裝；如拆下后發現該傳感器未安裝前初偏值已經超出規定范圍，則需更換一個新的力傳感器。

（3）檢測時如發現信號異常：首先對重力錘是否偏心進行檢查，同時對傳感器的粘貼情況進行檢查，然后一一排除后重新測試該工程樁。

（4）檢測時單擊貫入度不宜少于2mm（支承樁、嵌巖樁除外）。

3 工程實例

3.1 高應變法檢測

某實驗辦公樓建筑面積42204.73m2，樁基礎為管樁，樁長26m～29m，混凝土設計強度等級C80，設計承載力設計值1900kN，樁徑0.5m，摩擦樁，樁端持力層為中砂。場地土層自上而下分別為雜填土(層厚3.2m)、粉砂(層厚6.8m)、細沙(層厚12m)、粉質黏土(層厚3m)、中砂(層厚3.5m)、強風化泥巖(層厚3m)及中風化泥巖(層厚5m)。試驗選取錘重6t，落距1.0m。試驗選取1根樁，樁號179進行高應變法分析，實測曲線見圖2，分析結果見表3。

圖2 179號管樁高應變法實測力值-速度曲線

表3 高應變統計結果

由圖2及表3分析可知，試驗樁在2L/c的時間區域內力值與速度曲線距離相差較大，樁貫入度為2.6mm。在2L/c之后速度曲線開始逐漸歸零。由此表明，受檢樁的側摩阻力得到了有效的激發，樁側阻力為2122kN，樁端正向反射較為明顯，端承力為1172kN。動測承載力為3292kN不滿足大于2倍設計值3800kN的要求，說明該樁實測承載力不滿足設計要求。

3.2 靜載荷試驗

考慮到管樁179動測承載力不滿足設計要求，擬采用靜荷載法進行驗證，試驗采用壓重平臺反力裝置，最大試驗荷載為3800kN，如圖3所示。試驗前，將大于1.3倍的最大試驗荷載的載重一次性加上反力平臺，試驗過程時用液壓千斤頂分級加載。

圖3 荷載試驗現場反力裝置圖

試驗結果統計詳見表4、表5，荷載-沉降曲線見圖4。

表4 試驗結果匯總表

表5 荷載與位移數據匯總表

由圖4可知，試驗加載到第7級試驗荷載3420kN時，總沉降量為15.28mm，本級沉降量為1.86mm，Q-s曲線較為平緩，未出現明顯陡降段，s-lgt曲線排列較為平緩。

圖4 Q-s及s-lgt曲線圖

逐漸加載到第8級荷載3800kN時，總的沉降量為43.79mm，大于40mm，而本級沉降量為28.51mm，大于前一級沉降量1.86mm的15.32倍，此時Q-s曲線出現明顯陡降段，s-lgt曲線呈陡降規形態，因未達到試驗要求的最大荷載值，根據相關要求取前一級最大試驗荷載3420kN為該樁單樁豎向抗壓極限承載力。

綜合分析，取單樁豎向抗壓第8級試驗荷載的前一級（試驗荷載3420kN）的50%所對應荷載1710kN為該樁單樁豎向抗壓承載力特征值。該樁單樁豎向抗壓承載力設計特征值為1900kN，因此試驗結果不滿足要求。

4 動靜試驗結果對比分析

靜荷載試驗加載到3800kN時Q-s曲線有急變的特征，結合s-lgt曲線圖確定最終單樁豎向抗壓承載力特征值取單樁豎向抗壓第8級試驗荷載的前一級（試驗荷載3420kN）的50%即1710kN，高應變法檢測結果為1646kN，從數值上略低于靜載試驗，兩者偏差3.7%，從數值結果看檢測結果與高應變基本一致。

5 結語

（1）高應變試驗要點必須依據現場地勘的土層參數、樁基等資料來修正計算模型中的各項參數，如此才能獲得較為準確的擬合曲線。

（2）179號樁高應變試驗結果與靜載試驗結果偏差在3.7%，總體上兩者的數據一致性較好，也證明了高應變法檢測的準確性，但值得指出的是高應變擬合過程的參數選取必須是合理的調整，這對高應變技術人員的技術水平提出了較高的要求。

（3）高應變法進行承載力檢測，受影響因素較多，雖然近年來該理論和檢測設備都得到了不斷的發展，但還需工程技術人員在不斷的實踐中積累經驗，已應對不同受檢樁類型、不同地質、不同施工方法等帶來的結果偏差。