低應(yīng)變法在旋挖樁基檢測中的綜合運(yùn)用

陳廣略

（佛山市南海區(qū)建筑工程質(zhì)量檢測站，廣東佛山 528200）

0 引言

在建設(shè)工程中，經(jīng)由旋挖鉆機(jī)施工而形成的樁型被稱為旋挖鉆孔灌注樁，簡稱旋挖樁。作為一種具有較強(qiáng)先進(jìn)性的樁基施工工藝，旋挖樁已經(jīng)在我國鐵路、公路、橋梁、大型建筑基礎(chǔ)樁施工環(huán)節(jié)得到了較為廣泛地應(yīng)用。樁基礎(chǔ)作為工程建筑體中的“承重”結(jié)構(gòu)，對其質(zhì)量有極其嚴(yán)苛的要求?；诖耍谕瓿蓸痘┕ぶ?，技術(shù)人員需要采用一系列特定方法，對樁基的質(zhì)量進(jìn)行檢測，只有檢查結(jié)果符合各項(xiàng)規(guī)定后方可進(jìn)行下一階段的施工。低應(yīng)變法作為一種檢測樁基綜合質(zhì)量的方法，近年來同樣得到了較為廣泛地運(yùn)用，值得重點(diǎn)分析。

1 低應(yīng)變法內(nèi)涵簡析

1.1 低應(yīng)變法的基本應(yīng)用原理

低應(yīng)變法是建設(shè)工程中常用的檢測方法，主要用于對樁基樁身的完整程度、是否存在缺陷、缺陷所在位置及嚴(yán)重程度等進(jìn)行檢測[1]。需要注意的是，低應(yīng)變法是一個(gè)泛性概念，即有多種用于檢測樁基礎(chǔ)的方法都屬于低應(yīng)變法的范疇。現(xiàn)階段，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用且公認(rèn)能夠取得較為理想的檢測效果的方法為“瞬態(tài)沖擊”法，主要原理是，對樁基樁頂處的加速度、速度響應(yīng)時(shí)域曲線進(jìn)行檢測，之后結(jié)合一維波動(dòng)理論，實(shí)現(xiàn)對樁基完整性的檢測。這種瞬態(tài)時(shí)域分析法又被稱為反射波法，其中的“反射波”為應(yīng)力波，具體來說，一個(gè)具有一定體積、在一定空間范圍內(nèi)存在的介質(zhì)的某處區(qū)域突然受到了一種擾動(dòng)作用。而在這種擾動(dòng)作用的影響下，介質(zhì)會(huì)在不同程度上變形。當(dāng)這種“變形”沿著介質(zhì)，從擾動(dòng)初始作用點(diǎn)開始向遠(yuǎn)處傳播的過程即為應(yīng)力波。

借助應(yīng)力波及低應(yīng)變法檢測樁基完整性的原理有點(diǎn)類似于人們在日常生活中買西瓜時(shí)，會(huì)通過對西瓜表面進(jìn)行拍擊，之后通過聽回聲的方式，判斷西瓜瓤的長勢，最終決定買哪一個(gè)西瓜的過程。如果將對象換成應(yīng)力波和樁基，則檢測過程實(shí)際上是應(yīng)力波在樁身中傳播的過程。具體來說：①使用設(shè)備錘擊樁頂端面，接觸位置便形成了振源。②傳播介質(zhì)是樁身，具有“一維直桿”的特性。③應(yīng)力波從錘擊位置產(chǎn)生。如果將樁頂端面視為平面（水平方向），那么錘擊發(fā)生之后，主要的應(yīng)力波傳播方向應(yīng)該是豎直向下。一般情況下，應(yīng)力波傳播的距離達(dá)到一倍樁徑～二倍樁徑時(shí)，波振面才會(huì)逐漸恢復(fù)為平面[2]。④應(yīng)力波在自由端完整樁中的傳播過程如圖1、圖2 所示。需要注意，入射波與反射波是同相的，樁底反射與入射波同樣是同相的。

圖1 應(yīng)力波在自由端完整樁中的傳播效果（一）

圖2 應(yīng)力波在自由端完整樁中的傳播效果（二）

基于應(yīng)力波低應(yīng)變法檢測樁基完整性時(shí)，隨著樁身波阻抗的變化，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射。技術(shù)人員通過對該應(yīng)力波反射波的幅度變化情況、相位、應(yīng)力波傳播至特定位置的到達(dá)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行收集、分析，可以得出樁身是否存在缺陷、缺陷大小、缺陷性質(zhì)、缺陷位置等信息[3]，最終給出與樁基完整性有關(guān)的檢查結(jié)論。

1.2 低應(yīng)變法應(yīng)用于建設(shè)工程檢測時(shí)的原則

應(yīng)力波低應(yīng)變法應(yīng)用于建設(shè)工程旋挖樁基檢測時(shí)，需遵循如下原則。

（1）在樁基施工完成后，應(yīng)首先針對樁基完整性進(jìn)行檢測，之后對樁基承載力進(jìn)行檢測。

（2）如果樁基具有較大的基礎(chǔ)埋深，則應(yīng)在基坑開挖基底標(biāo)高位置后方可開展樁身完整性檢測。

（3）如果基于低應(yīng)變法的樁身完整性檢測結(jié)果顯示，Ⅲ、Ⅳ類樁的數(shù)量總和超過抽檢樁數(shù)總量的1/5 時(shí)，可在檢測其他尚未接受檢測的樁基時(shí)沿用低應(yīng)變法。

（4）具體的抽檢數(shù)量原則如下：①承臺(tái)抽檢樁數(shù)量至少應(yīng)為1 根。②如果樁基施工所在地區(qū)地下結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，或是成樁質(zhì)量可靠性較低，則抽檢樁數(shù)不得低于樁總數(shù)的1/3，具體值不得低于20 根，以后者為主。針對其他樁基工程，抽檢占比不低于總數(shù)1/5，具體值不低于10 根，同樣以后者為主。

2 基于低應(yīng)變法檢測旋挖樁基

2.1 前期準(zhǔn)備工作

2.1.1 明確接受檢測的旋挖樁基標(biāo)準(zhǔn)

基于應(yīng)力波低應(yīng)變法檢測旋挖樁基之前，首先需要做好樁基準(zhǔn)備工作。其中，待檢樁基的混凝土強(qiáng)度必須已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且能夠承受至少15MPa的壓力。此外，樁頭的材質(zhì)、強(qiáng)度、截面尺寸必須與樁身基本一致，樁頂面的平整度、密實(shí)度均應(yīng)達(dá)到要求且應(yīng)當(dāng)與樁軸線保持垂直關(guān)系。

2.1.2 明確參數(shù)設(shè)定相關(guān)要求

基于低應(yīng)變法檢測旋挖樁基時(shí)，相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)要求如下：①時(shí)域信號記錄時(shí)間段長度至少需要達(dá)到5ms，用于分析的幅頻信號的頻率范圍上限值至少需要達(dá)到2000Hz[4]。②所謂“樁身長度”是指樁頂?shù)臏y點(diǎn)到樁底的施工樁長，樁身截面積即為施工截面積。③施加在樁身的應(yīng)力波波速并不是一個(gè)固定值，需要以工程所在地其他工程中同類型樁基的測試值作為參考依據(jù)，進(jìn)而科學(xué)設(shè)定。④采樣時(shí)間間隔、采樣頻率兩項(xiàng)參數(shù)需要根據(jù)樁長、樁身應(yīng)力波傳播速度、頻域分辨率等進(jìn)行合理選擇及設(shè)定。其中，時(shí)域信號的采樣點(diǎn)數(shù)至少應(yīng)該達(dá)到1024 點(diǎn)。

2.1.3 明確低應(yīng)變法測量傳感器安裝及激振操作的相關(guān)規(guī)定

在應(yīng)用低應(yīng)變法測量旋挖樁基時(shí)，測量傳感器是核心組件，與該組件安裝位置等有關(guān)的安裝作業(yè)要素如下。

（1）需要將傳感器安裝在與樁頂面保持垂直幾何關(guān)系的區(qū)域。

（2）為確保測量及傳輸結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般需要使用耦合劑作為黏結(jié)劑，必須確保黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到要求。

（3）基于旋挖樁基的類型（即樁基是實(shí)心樁基還是空心樁基），測量傳感器的安裝位置以及激振錘擊點(diǎn)位選擇存在差異性，具體如圖3 所示。具體來說，如果是實(shí)心樁基，則激振錘擊點(diǎn)位應(yīng)該選在樁基截面圓心位置；測量傳感器應(yīng)安裝在2/3 半徑（從圓心點(diǎn)位向外計(jì)算）位置，在東、南、西、北4 個(gè)方向分別安裝一個(gè)（需要注意，方向并不固定，可在2/3 半徑長度終端點(diǎn)位構(gòu)成的圓邊上任意選擇，但順時(shí)針或逆時(shí)針方向相鄰兩個(gè)點(diǎn)位與圓心之間的連線應(yīng)該具有垂直的關(guān)系）。如果是空心樁基，則激振錘擊點(diǎn)位需要與測量傳感器安裝在同一個(gè)水平面上，與莊中心連線之間形成的夾角應(yīng)該保持90°，具體位置應(yīng)該選在樁壁厚度一半位置[5]。

圖3 實(shí)心及空心樁基的測量傳感器安裝位置及激振錘擊點(diǎn)位

安裝測量傳感器以及選擇激振錘擊點(diǎn)位時(shí)的注意事項(xiàng)如下：①激振錘擊點(diǎn)位與測量傳感器安裝位置應(yīng)該不受樁基鋼筋籠主筋的影響。②激振錘擊方向一般需要沿著軸線方向。③如果采用穩(wěn)態(tài)激振測量法，則技術(shù)人員必須針對每一個(gè)設(shè)定的頻率捕捉同樣保持穩(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)力波傳播相應(yīng)信號，并且還應(yīng)根據(jù)樁徑、樁長、樁周土的約束情況，對激振力度進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。如果采用瞬態(tài)激振測量法，則可直接在施工現(xiàn)場開展敲擊試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果科學(xué)選擇激振力錘的重量以及配套的錘墊。

2.1.4 了解應(yīng)力波信號的采集及篩選控制要素

信號采集及篩選方面的控制要素如下：①根據(jù)樁徑大小，沿著樁心布置2～4 個(gè)檢測點(diǎn)位，兩兩之間均應(yīng)保持對稱關(guān)系。在后續(xù)進(jìn)行信號采集時(shí)，應(yīng)從每個(gè)點(diǎn)位至少采集3 個(gè)有效信號。②檢測到的信號不能被直接用于分析，而是應(yīng)該進(jìn)行判斷，確定信號是否能夠真實(shí)反映樁身的完整性特征。③如果多個(gè)檢測點(diǎn)位得到多次實(shí)測時(shí)域信號缺乏一致性，技術(shù)人員應(yīng)該分析導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因，必要時(shí)可以增加檢測點(diǎn)位的數(shù)量。④如果信號失真或是產(chǎn)生了“零漂”，則這類信號不應(yīng)用于分析。

2.2 具體檢測分析

2.2.1 檢測作業(yè)流程

基于應(yīng)力波低應(yīng)變法檢測旋挖樁基的流程如下：①完成對樁頭的處理。②連接檢測儀器。③安裝傳感器。④設(shè)置檢測程序。⑤錘擊并采集信號。⑥分析信號并生成結(jié)果。

2.2.2 針對樁頭的處理

針對樁頭進(jìn)行處理的要素如下：①如果發(fā)現(xiàn)樁頭存在浮漿，則應(yīng)將之鑿掉，之后將樁頭打磨平整。②如果樁頭表面較為濕潤，應(yīng)使用吹風(fēng)機(jī)等設(shè)備，將樁頭表面雜物全部吹干并確保干燥程度達(dá)到要求。

2.2.3 檢測儀器設(shè)備的連接

首先，將分體機(jī)的交流電源接線接到相關(guān)設(shè)備的插口處。其次，按照提示將分體機(jī)后面板的接線依次插入對應(yīng)位置，不可混淆順序。再次，將加速度傳感器連接到合適位置。最后，試運(yùn)行設(shè)備，檢查是否出現(xiàn)線路連錯(cuò)位置的情況。

2.2.4 傳感器的安裝

傳感器的耦合方法包括黃油耦合、橡皮泥耦合、口香糖耦合等，無論采用哪一種方式，都應(yīng)確保傳感器與樁頭緊密粘合在一起，緊密程度越高越好。

2.2.5 檢測程序的設(shè)置

啟動(dòng)基樁動(dòng)測儀設(shè)備之后，點(diǎn)擊相關(guān)按鍵，從主操作界面進(jìn)入設(shè)置界面；之后在“采樣方式”處選擇“連續(xù)采樣”，之后設(shè)置樁土參數(shù)。之后點(diǎn)擊進(jìn)入外界傳感器設(shè)置環(huán)節(jié)，確保傳感器連接的通道和類型的一致性。

2.2.6 信號采集

將信號采集儀的開關(guān)打開，進(jìn)入主操作界面后按下“采樣”按鍵。屏幕中此時(shí)會(huì)出現(xiàn)對應(yīng)的“錘擊數(shù)”參數(shù)，儀器會(huì)進(jìn)入采樣等待狀態(tài)。敲擊后，相關(guān)信號會(huì)呈現(xiàn)在屏幕之中，即可對信號進(jìn)行采集，之后對參數(shù)進(jìn)行分析，形成波形并得出結(jié)論。

2.3 案例分析

某旋挖樁基樁長達(dá)到33m，樁徑為1.35m，澆筑的混凝土強(qiáng)度為C35。采用低應(yīng)變法檢測該旋挖樁基的完整性（內(nèi)部有無缺陷）時(shí)，從樁頂端部向下發(fā)射應(yīng)力波，初步檢測到的波形變化趨勢如下：在開始的一段時(shí)間內(nèi)，波動(dòng)升高→降低→再升高→再降低，但隨著時(shí)間的推移，波動(dòng)幅度逐漸降低，波形逐漸趨于平穩(wěn)。對該波形進(jìn)行分析后，得出的結(jié)論如下：①僅僅從波形上并未收到來自樁底波動(dòng)信號的反饋結(jié)果。②可視為應(yīng)力波傳播速度保持不變。根據(jù)波形提示結(jié)果，從樁頂向下，約5.0m 處出現(xiàn)第一個(gè)“波形谷底”，可初步推斷此處存在缺陷。為了驗(yàn)證這一結(jié)果是否準(zhǔn)確，采用鉆芯法，從樁頂區(qū)域向下鉆進(jìn)，最終發(fā)現(xiàn)在自上而下4.7～5.2m 處存在混凝土離析現(xiàn)象。該結(jié)果表明，低應(yīng)變法用于檢測旋挖樁基完整性時(shí)，相關(guān)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

總體來看，低應(yīng)變法應(yīng)用于包括旋挖樁基在內(nèi)的多種樁基礎(chǔ)的原理是，充分利用低能量在瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的“激振”方式，在樁頂位置完成激振作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，對樁頂?shù)乃俣葧r(shí)程曲線、速度導(dǎo)納曲線等進(jìn)行精確測量，進(jìn)而圍繞波動(dòng)理論及頻域進(jìn)行分析。相關(guān)結(jié)果可作為判定樁身完整程度的有效依據(jù)。此外，低應(yīng)變法還可以對樁身是否存在缺陷、缺陷所在位置及缺陷嚴(yán)重程度等均進(jìn)行清晰測定，對確定樁基礎(chǔ)質(zhì)量乃至工程后續(xù)質(zhì)量安全均能夠發(fā)揮積極作用，故在檢測樁基礎(chǔ)質(zhì)量、完整性時(shí)，應(yīng)推廣應(yīng)用低應(yīng)變法，確保工程質(zhì)量安全。