低應變法在旋挖樁基檢測中的綜合運用

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。作為一種具有較強先進性的樁基施工工藝，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)量有極其嚴苛的要求?；诖?，在完成樁基施工之后，技術(shù)人員需要采用一系列特定方法，對樁基的質(zhì)量進行檢測，只有檢查結(jié)果符合各項規(guī)定后方可進行下一階段的施工。低應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用，值得重點分析。

1 低應變法內(nèi)涵簡析

1.1 低應變法的基本應用原理

低應變法是建設(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、缺陷所在位置及嚴重程度等進行檢測[1]。需要注意的是，低應變法是一個泛性概念，即有多種用于檢測樁基礎(chǔ)的方法都屬于低應變法的范疇。現(xiàn)階段，國內(nèi)外廣泛應用且公認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、速度響應時域曲線進行檢測，之后結(jié)合一維波動理論，實現(xiàn)對樁基完整性的檢測。這種瞬態(tài)時域分析法又被稱為反射波法，其中的“反射波”為應力波，具體來說，一個具有一定體積、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作用。而在這種擾動作用的影響下，介質(zhì)會在不同程度上變形。當這種“變形”沿著介質(zhì)，從擾動初始作用點開始向遠處傳播的過程即為應力波。

借助應力波及低應變法檢測樁基完整性的原理有點類似于人們在日常生活中買西瓜時，會通過對西瓜表面進行拍擊，之后通過聽回聲的方式，判斷西瓜瓤的長勢，最終決定買哪一個西瓜的過程。如果將對象換成應力波和樁基，則檢測過程實際上是應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，主要的應力波傳播方向應該是豎直向下。一般情況下，應力波傳播的距離達到一倍樁徑～二倍樁徑時，波振面才會逐漸恢復為平面[2]。④應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 應力波在自由端完整樁中的傳播效果（一）

圖2 應力波在自由端完整樁中的傳播效果（二）

基于應力波低應變法檢測樁基完整性時，隨著樁身波阻抗的變化，會產(chǎn)生相應的反射。技術(shù)人員通過對該應力波反射波的幅度變化情況、相位、應力波傳播至特定位置的到達時間等參數(shù)進行收集、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 低應變法應用于建設(shè)工程檢測時的原則

應力波低應變法應用于建設(shè)工程旋挖樁基檢測時，需遵循如下原則。

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

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

（3）如果基于低應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，可在檢測其他尚未接受檢測的樁基時沿用低應變法。

（4）具體的抽檢數(shù)量原則如下：①承臺抽檢樁數(shù)量至少應為1 根。②如果樁基施工所在地區(qū)地下結(jié)構(gòu)較為復雜，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 基于低應變法檢測旋挖樁基

2.1 前期準備工作

2.1.1 明確接受檢測的旋挖樁基標準

基于應力波低應變法檢測旋挖樁基之前，首先需要做好樁基準備工作。其中，待檢樁基的混凝土強度必須已經(jīng)達到設(shè)計強度的70%，且能夠承受至少15MPa的壓力。此外，樁頭的材質(zhì)、強度、截面尺寸必須與樁身基本一致，樁頂面的平整度、密實度均應達到要求且應當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

基于低應變法檢測旋挖樁基時，相關(guān)參數(shù)設(shè)計要求如下：①時域信號記錄時間段長度至少需要達到5ms，用于分析的幅頻信號的頻率范圍上限值至少需要達到2000Hz[4]。②所謂“樁身長度”是指樁頂?shù)臏y點到樁底的施工樁長，樁身截面積即為施工截面積。③施加在樁身的應力波波速并不是一個固定值，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)，進而科學設(shè)定。④采樣時間間隔、采樣頻率兩項參數(shù)需要根據(jù)樁長、樁身應力波傳播速度、頻域分辨率等進行合理選擇及設(shè)定。其中，時域信號的采樣點數(shù)至少應該達到1024 點。

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

在應用低應變法測量旋挖樁基時，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)強度達到要求。

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

圖3 實心及空心樁基的測量傳感器安裝位置及激振錘擊點位

安裝測量傳感器以及選擇激振錘擊點位時的注意事項如下：①激振錘擊點位與測量傳感器安裝位置應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設(shè)定的頻率捕捉同樣保持穩(wěn)定狀態(tài)的應力波傳播相應信號，并且還應根據(jù)樁徑、樁長、樁周土的約束情況，對激振力度進行科學調(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，根據(jù)相關(guān)結(jié)果科學選擇激振力錘的重量以及配套的錘墊。

2.1.4 了解應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 個檢測點位，兩兩之間均應保持對稱關(guān)系。在后續(xù)進行信號采集時，應從每個點位至少采集3 個有效信號。②檢測到的信號不能被直接用于分析，而是應該進行判斷，確定信號是否能夠真實反映樁身的完整性特征。③如果多個檢測點位得到多次實測時域信號缺乏一致性，技術(shù)人員應該分析導致該現(xiàn)象的原因，必要時可以增加檢測點位的數(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

基于應力波低應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

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

2.2.3 檢測儀器設(shè)備的連接

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

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

啟動基樁動測儀設(shè)備之后，點擊相關(guān)按鍵，從主操作界面進入設(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)。之后點擊進入外界傳感器設(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，進入主操作界面后按下“采樣”按鍵。屏幕中此時會出現(xiàn)對應的“錘擊數(shù)”參數(shù)，儀器會進入采樣等待狀態(tài)。敲擊后，相關(guān)信號會呈現(xiàn)在屏幕之中，即可對信號進行采集，之后對參數(shù)進行分析，形成波形并得出結(jié)論。

2.3 案例分析

某旋挖樁基樁長達到33m，樁徑為1.35m，澆筑的混凝土強度為C35。采用低應變法檢測該旋挖樁基的完整性（內(nèi)部有無缺陷）時，從樁頂端部向下發(fā)射應力波，初步檢測到的波形變化趨勢如下：在開始的一段時間內(nèi)，波動升高→降低→再升高→再降低，但隨著時間的推移，波動幅度逐漸降低，波形逐漸趨于平穩(wěn)。對該波形進行分析后，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信號的反饋結(jié)果。②可視為應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“波形谷底”，可初步推斷此處存在缺陷。為了驗證這一結(jié)果是否準確，采用鉆芯法，從樁頂區(qū)域向下鉆進，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，低應變法用于檢測旋挖樁基完整性時，相關(guān)結(jié)果較為準確。

3 結(jié)語

總體來看，低應變法應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程曲線、速度導納曲線等進行精確測量，進而圍繞波動理論及頻域進行分析。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，低應變法還可以對樁身是否存在缺陷、缺陷所在位置及缺陷嚴重程度等均進行清晰測定，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，應推廣應用低應變法，確保工程質(zhì)量安全。