低應變法和高應變法在樁基檢測中的結合應用研究

2024-04-24 19:48:30李斌初立波

工程機械與維修 2024年1期

李斌初立波

摘要：介紹樁基檢測的主要內容、檢測和分析方法，闡述低應變法和高應變法的基本原理及主要特點，通過兩個工程實例，驗證了低應變法和高應變法結合應用對檢測結果所產生的優越性，可供施工技術人員參考。

關鍵詞：低應變法；高應變法；樁基檢測；結合應用

0? ?引言

樁基是建筑物的基礎結構，樁身的完整性與承載力對建筑物的質量有重大影響。為確保樁基質量達到設計及規范標準要求，施工技術人員需采用有效檢測方法檢測樁基的承載力及完整性。樁基的檢測方法主要包括低應變法、高應變法、靜載試驗、鉆芯檢測法、聲波透射法等，本文主要研究低應變法和高應變法及其結合應用。

1? ?樁基檢測簡述

1.1? ?樁基檢測主要內容及方法

1.1.1? ?樁基檢測主要內容

樁基檢測的核心內容是測定樁基承載力與樁身完整性，其中承載力檢測期間需準確計算承載力與加荷速率，通過動荷載試驗與靜荷載試驗，測得荷載速率與工程實際加荷速率近似，樁基承載力試驗結果與實際承載力近似，因此部分工程將靜荷載試驗作為評估樁基承載力的主要方法。

樁基完整性檢測中，需驗證樁身完整性，并確定缺陷位置與缺陷類型，以便對有明顯缺陷或嚴重缺陷的基樁及時采取補救措施，以消除安全隱患。

1.1.2? ?樁基檢測的主要方法

低應變法為樁基完整性檢測的主要方法，檢測時需在樁基頂部區域施加激振能量，使樁身周邊形成微振動，通過對樁頂區域反射波振動加速度及振動速度測量，可準確判斷樁基完整性。

高應變法也屬于測定基樁承載力和檢測樁基完整性的常用方法。檢測時，采用重錘低擊對樁頂部區域施加沖擊力，樁身在沖擊力作用下可彈塑性縱向位移，樁底與樁身可與周邊介質產生相對形變及位移，進而充分激發出樁基的側阻力與端阻力[1]。

1.2? ?檢測結果分析方法

基樁承載力及樁身完整性是樁基檢測的主要項目。依據檢測結果可將樁身完整性類別劃分為4類：Ⅰ類樁為樁身完整；Ⅱ類樁為樁身有輕微缺陷，不會影響樁身結構承載力的正常發揮；Ⅲ類樁為樁身有明顯缺陷，對樁身結構承載力有一定影響；Ⅳ類樁為樁身存在嚴重缺陷。

樁基承載力檢測期間，需重點分析承載力相關特征參數是否滿足設計要求。為提高檢測結果的準確性，檢測技術人員應綜合運用多種檢測方法完成相互補充、驗證，同步評估樁基承載力與樁身完整性，以確保建筑結構安全。

2? ?低應變法的基本原理及主要特點

2.1? ?基本原理

低應變法源自應力波理論，檢測過程中需在樁頭表面區域安裝速度傳感器，以接收樁基頂部激發樁身形成的應力波信號[2]。檢測技術人員通過在樁頂施加激振信號產生的應力波，沿樁身傳播，遇到不連續界面（如蜂窩、夾泥、離析、斷裂、空洞等缺陷）及樁底面時，產生反射波，以實測樁頂加速度或速度響應時域曲線。

依據一維波動理論對反射波的傳播時間、幅值和波形特征加以計算分析，可了解信號的頻率與時間。通過對波形圖的觀察分析，可確定反射波與入射波的相位、波形、振幅與頻率，也可確定反射波到達的具體時間。結合工程樁基施工資料及施工區域的工程地質與水文地質資料，可準確判斷樁身結構是否完整及樁長信息。也可結合應力波波速及成樁時間，確定樁身混凝土質量[3]。

2.2? ?主要特點

2.2.1? ?主要優勢

實施低應變法檢測時，檢測技術人員只需使用電磁振動器、手錘、鐵球等錘擊樁基頂部。其錘擊能量很小，樁周土和樁端土只發生線彈性變形。該檢測方法操作簡便，耗時較短，費用低廉，檢測范圍較大，具有較高的推廣應用價值。

2.2.2? ?主要作用

低應變法屬于半直接檢測法，可檢測評估樁身完整性，確定樁身缺陷位置及缺陷嚴重程度。利用低應變法檢測時，檢測技術人員可依據工程相關資料估算樁身長度，判斷混凝土強度等級及缺陷類型，進而制定適宜的補救方案，這樣更有助于改善工程整體質量[4]。

2.2.3? ?適用范圍

低應變法具有特定的適用范圍，其適用于對大直徑現澆薄壁混凝土管樁、類似于H型鋼制異形樁以及薄壁鋼管樁樁身的完整性檢測。若激勵響應在樁頂面接收時，除了使用可激發近似一維波動的激振裝置之外，不建議采用低應變法。如果樁體過長，采用低應變法檢測可產生測量不到位等問題。因此，檢測技術人員需結合具體工程實際及其特點，選擇合適的檢測方法。

2.3? ?不同類型低應變法的應用分析

低應變法主要包括反射波法、動力參數法、機械阻抗法、共振法等類型。

2.3.1? ?反射波法

反射波法（也叫瞬態時域分析法）采用瞬態沖擊方式，它通過實測樁頂加速度或速度響應時域曲線，依據一維波動理論分析來判定基樁的樁身完整性。該方法適用于檢測混凝土樁樁身的完整性，判定樁身缺陷的位置及大致程度。反射波法是目前國內樁基工程采用的檢測樁身結構完整性的最常用方法。

2.3.2? ?動力參數法

動力參數法主要通過敲擊的方式測定樁基自振頻率，也可測定樁基的初速度，通過換算獲取樁基承載力及抗壓剛度系數。動力參數法可應用于測定土層為摩擦樁提供的承載力，通過對衰減時間、振幅及波形的分析，可判斷樁基的完整性。但密實鵝卵石或基巖上方承樁，則不建議采用此種方案[5]。

2.3.3? ?機械阻抗法

機械阻抗法采用結構動態分析的模式，利用瞬態或穩態測試的方法，可在檢測現場獲取相關曲線，進而準確評估樁基的完整性，需要注意的是，分段預制樁不建議采用此種方法。

2.3.4? ?共振法

共振法主要原理是通過強迫振動的模式引導樁基共振，通過其共振頻率曲線可評估樁身質量，確定缺陷位置及推算承載力。該方法可解決動測方法存在的缺陷，提高檢測結果的準確性。

3? ?高應變法的基本原理及主要特點

3.1? ?基本原理

高應變法檢測樁基過程中，需采用重錘低擊的方式對樁基頂部實施沖擊，使樁與土產生足夠的相對位移，以充分激發樁周土阻力和樁端支承力。通過安裝在樁頂下部即樁身上的量測力和加速度傳感器，接受樁的應力波及速度波信號。檢測技術人員應用應力波理論分析處理速度與力時程曲線，可分析評價樁身完整性，確定單樁豎向抗壓承載力等參數。

與低應變法一樣，高應變法也是以一維波動理論為依據。檢測時利用瞬間形成的巨大沖擊力可激發樁土對樁基的阻力，通過對樁頂截面力與速度信號的測定及曲線計算分析，可獲取樁基土阻力分布、樁基Q-S曲線及樁身質量參數[6]。

3.2? ?主要特點

3.2.1? ?主要作用

實施高應變法檢測時，檢測技術人員需利用重錘擊打樁基頂部，充分利用樁端與樁側阻力作用，使樁基產生近似靜荷載試樁沉降級別的移變量，進而獲取準確的檢測結果。使用高應變法進行檢測，可準確評估單樁豎向抗壓承載力是否滿足設計要求，可實現對抗壓靜載荷試驗的有效補充[7]。

3.2.2? ?主要優勢

高應變法主要優勢是激勵能量較大、檢測深度較深，可準確檢測預制樁接頭部位的缺陷及整合型裂縫，可準確測定樁基豎向抗壓承載力等指標，可為檢測技術人員判斷樁基缺陷程度提供參考依據[8]。

打入式預制樁是高應變檢測的基本方式。如果預制樁材質均勻、截面恒定，采用高應變法檢測可直接獲取應力波測量數據，準確測定樁身完整性參數、樁身應力及樁錘傳遞能量，便于檢測技術人員準確控制打樁期間樁身應力。此外，試打樁和打樁監控是高應變法檢測的特有功能，是靜載試驗等其他方法無法做到的。

3.2.3? ?不足之處

樁基完整性及單樁豎向抗壓承載力檢測中應用高應變法，具有較高的可靠性。但是與低應變法相比，其檢測耗時較長、檢測費用偏高。對于大直徑擴底樁和預估荷載-沉降曲線，呈緩變型特征的大直徑灌注樁，不宜采用高應變法進行豎向抗壓承載力檢測。

3.3? ?波動方程法

波動方程法包括CASE法、曲線擬合法（CAPWAP）等2種具體方法，前者為簡化的分析方法，后者為相對嚴密的分析方法。目前高應變檢測大都采用波動方程法。

實施波動方程法時，采用自由落錘（錘擊）激振方式。通過現場實測樁頂加速度隨時間變化曲線，以及樁頂應力隨時間變化曲線，預估單樁豎向極限承載力，檢驗樁身質量及樁身缺陷位置，判定樁身的完整性。通過監測預制混凝土樁或鋼樁打樁應力，測定有效錘擊能力和錘擊能量傳遞比，為核定沉樁工藝參數、確定樁型和樁長提供依據。

4? ?兩種應變法結合應用實例

4.1? ?實例1

某工廠廠房采用機械旋挖灌注樁為樁基結構，5號樁樁徑測定為920mm，樁基長度為15.38m，中風化砂礫巖為樁基持力層，樁身混凝土強度等級為C25，設計方案中單樁豎向抗壓承載力特征值為1250kN。工廠廠房所在區域地質條件為9.50～13.50m為強風化砂礫巖，6.20～9.50m為粉砂，4.40～6.20m為粉質黏土，2.00～4.40m為圓礫，0.70～2.00m為粉質黏土，0.00m～0.70m為素填土。

檢測技術人員采用樁基動測儀進行低應變動力檢測，通過傳感器接收反射波的相關參數，操作中配合采用橡皮墊，以提高檢測結果的準確性。高變應檢測采用樁基動測儀及配套軟件輔助完成，檢測過程中傳感器安裝在樁頂面以下1.50m樁側表面，設定錘擊落距為1.0m，錘的質量為3.0t。

檢測技術人員通過檢測，獲取5號樁低應變與高應變實測曲線。通過對曲線的分析可知，5號樁低應變檢測結果顯示，樁身波速值為3228m/s，基樁實測時域信號曲線和樁身混凝土波速未見異常，樁基完整無缺陷。5號樁高應變法檢測結果顯示，樁身波速值為3520m/s，設定阻尼系數為0.3，樁身材料質量密度為2.40t/m3。采用實測曲線擬合法的計算結果顯示，該樁單樁豎向抗壓承載力檢測值為2684kN，單樁豎向抗壓承載力特征值為1342kN，滿足設計標準要求。

4.2? ?實例2

某工廠廠房采用人工挖孔灌注樁為樁基結構，3號樁樁徑測定為890mm，樁基長度為14.36m，中風化玄武巖為樁基持力層，樁身混凝土強度等級為C25，設計方案中單樁豎向抗壓承載力特征值為1310kN。工廠廠房所在區域地質條件為9.90～13.10m為強風化玄武巖，3.80～9.90m為黏土，1.20～3.80m為含砂礫黏土0.00～1.20m為素填土。

檢測技術人員采用樁基動測儀進行低應變動力檢測，通過傳感器接收反射波的相關參數，操作中配合采用橡皮墊，以提高檢測結果準確性。高變應檢測采用樁基動測儀及配套軟件輔助完成。檢傳感器安裝在樁頂面以下1.50m樁側表面，設定錘擊落距為1.0m，錘的質量為4.5t。

檢測技術人員通過檢測，獲取3號樁低應變與高應變實測曲線。通過對曲線的分析可知，3號樁低應變檢測結果顯示，樁身波速值為3219m/s，基樁實測時域信號曲線和樁身混凝土波速未見異常，樁基完整無缺陷。5號樁高應變法檢測結果顯示，樁身波速為3530m/s，設定阻尼系數為0.3，樁身材料質量密度為2.40t/m3。采用實測曲線擬合法的計算結果顯示，該樁單樁豎向抗壓承載力檢測值為2796kN，單樁豎向抗壓承載力特征值為1398kN，滿足設計標準要求。

5? ?結語

樁基質量對工程質量和安全產生的較大影響，為此需采取適宜的檢測方法對樁基質量進行嚴格檢測。低應變法與高應變法均屬于樁基檢測的有效方法，雖然均以一維波動理論為依據，但是二者原理及檢測方法存在較大差異。檢測技術人員應采用低應變法檢測樁基的完整性，采用高應變法檢測樁基的承載力，二者結合使用，可確保樁基質量達標。

參考文獻

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[3] 陳挺，陳皋.灌注樁完整性檢測不同方法不同判定的情況

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[4] 李國勝.基樁檢測方法及靜載試驗加載量問題探討[J]. 建

筑結構，2020，50（7）：118-129.

[5] 曾慶友.二重管高壓旋噴洗孔、注漿法在砼灌注樁缺陷處

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