1低應(yīng)變法檢測(cè)PHC管樁完整性
1.1低應(yīng)變法測(cè)試原理
低應(yīng)變反射波法是以應(yīng)力波在樁身中的傳播特征為理論基礎(chǔ)的一種方法［5］。該方法假定樁為連續(xù)彈性的一維均質(zhì)桿件，并且不考慮樁周土對(duì)沿樁身傳播的應(yīng)力波的影響。根據(jù)一維波動(dòng)理論可知，樁阻抗是其橫截面積、材料密度和縱波速度的函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式為
Z=ρCA。（1）
式中Z為樁的廣義波阻抗，N•s/m；C為縱波速度，m/s；ρ為樁的質(zhì)量密度，kg/m3；A為樁身截面積，m2。
將一維波動(dòng)理論用于線彈性樁（樁長(zhǎng)遠(yuǎn)大于直徑，且入射波波長(zhǎng)大于直徑），在樁頂錘擊時(shí)，產(chǎn)生一維壓縮波。該波以波速C向下傳播，如不考慮樁周阻尼的影響，則樁頂入射波在樁身截面處的反射與透射，可表達(dá)為
式中VI、VR、VT分別為入射、反射、透射波速度幅值；Z1、Z2分別為上、下介質(zhì)的廣義波阻抗。由式（2）、式（3）可見：
1）若樁身材料均勻、截面積相等，則Z1＝Z2、VR＝0，即樁身無反射波存在。
2）在樁底處，由于樁身混凝土與樁端巖土的ρ、C不等，即Z1≠Z2，因此將產(chǎn)生反射波；若Z1＞Z2，則VR與VT同相；若Z1＜Z2，則VR與VT反相。
3）若樁身存在缺陷，如斷裂等，都將反映為Z2。其中擴(kuò)徑反射波反相，其余均為同相。從壓縮波出現(xiàn)時(shí)刻算起，反射波所代表的位置可由反射波信號(hào)到達(dá)樁頂滯后的時(shí)差t確定，即LS＝tC/2，由此即可確定樁長(zhǎng)或缺陷位置。
低應(yīng)變反射波法檢測(cè)示意，見圖1。
1.2低應(yīng)變法用于PHC管樁完整性檢測(cè)的適用性
目前，低應(yīng)變法以其測(cè)點(diǎn)廣、經(jīng)濟(jì)、快捷、無損等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用最為廣泛的基樁質(zhì)量檢測(cè)手段，但也存在著缺點(diǎn)和不足。主要表現(xiàn)在：
1）從上述低應(yīng)變測(cè)試方法的基本原理可以看出，對(duì)PHC管樁而言，雖然PHC管樁樁身波阻抗基本相同，但卻無法考慮樁周土層對(duì)波形曲線的影響。
由于應(yīng)力波在樁中傳播時(shí)，不僅受樁身材料、剛度及缺陷的影響，還與樁周土層的力學(xué)性能影響有關(guān)，即樁周土層的土力學(xué)性能越好，應(yīng)力波在樁周土層中的損耗就越大；同時(shí)，受樁周土層的土體模量大小的影響，硬土層處會(huì)產(chǎn)生似擴(kuò)徑的反射波，軟土層處會(huì)因應(yīng)力波透射損耗小而產(chǎn)生似縮徑的反射波。因此，不了解樁側(cè)的土質(zhì)情況有時(shí)會(huì)造成誤判。
2）由于PHC管樁獨(dú)特的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)力波傳播途徑會(huì)多樣化，因此，當(dāng)出現(xiàn)平行于樁軸線的垂直裂隙時(shí)，應(yīng)力波極易繞射過去而無法檢測(cè)到。
3）由于應(yīng)力波反射法靠單一的波形特征來判斷樁的缺陷，但缺乏對(duì)缺陷程度的定量分析，因此不能定量給出裂隙寬度的準(zhǔn)確值。
4）當(dāng)?shù)?缺陷較大時(shí)，會(huì)阻斷信號(hào)的上行與下達(dá)，增加深部缺陷和樁底的識(shí)別困難，特別是當(dāng)?shù)?缺陷為第1缺陷的2倍時(shí)更難以識(shí)別。
5）由于港口工程中應(yīng)用的PHC管樁樁長(zhǎng)與樁徑比值較大，又為管樁結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力波損失多，一般都無法抵達(dá)樁底，因此很難測(cè)到樁底反射。
6）PHC管樁的接頭一般為法蘭盤焊接。由于法蘭盤的波阻抗與混凝土波阻抗存在差別或法蘭盤焊接處焊接質(zhì)量不好，均易出現(xiàn)異常信號(hào)，因此，很難判定PHC管樁的接頭。
2高應(yīng)變法檢測(cè)PHC樁完整性
2.1高應(yīng)變法測(cè)試基本原理
高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試是用重錘沖擊樁頂，使樁頂產(chǎn)生動(dòng)位移，并與靜載荷試驗(yàn)至極限狀態(tài)的沉降量相當(dāng)，以便讓樁周土極限阻力充分發(fā)揮。高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試是應(yīng)用一維桿應(yīng)力波理論，并應(yīng)用檢測(cè)截面的實(shí)測(cè)力和速度曲線，建立相應(yīng)的樁、土單元數(shù)學(xué)模型，假定模型中土的極限阻力、阻尼系數(shù)、最大彈性變形值以及土塞、過渡層、軟化和硬化系數(shù)等參數(shù)；利用實(shí)測(cè)的速度信號(hào)作為邊界條件輸入，通過特征線求解，反算樁力曲線，若計(jì)算力曲線和實(shí)測(cè)力曲線不符，則調(diào)整樁、土參數(shù)重新計(jì)算，直至與實(shí)測(cè)曲線的符合程度滿足規(guī)范要求為止；評(píng)價(jià)錘擊過程中樁土動(dòng)力特性、土參數(shù)和樁的靜力特性，給出沿樁身的土阻力分布、樁的極限承載力、模擬計(jì)算的Q－S曲線以及樁身剖面等，從而定量評(píng)價(jià)樁的極限承載力和樁身結(jié)構(gòu)的完整性［6，7］。
評(píng)價(jià)樁身完整性可用β法，其計(jì)算公式為
式中β為樁身完整性系數(shù)；F（t1）、F（t2）分別為t1、t2時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的錘擊力，kN；V（t1）、V（t2）分別為t1、t2時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的速度，m/s；tx為缺陷反射峰所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，ms；F（tx）為缺陷反射峰對(duì)應(yīng)時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的力，kN；V（tx）為缺陷反射峰對(duì)應(yīng)時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的速度，m/s；△R為缺陷以上部位土阻力的估計(jì)值；Z為樁身截面力學(xué)阻抗，kN•s/m。
高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)原理，見圖2。
2.2高應(yīng)變法用于PHC管樁完整性檢測(cè)的適用性
高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試采用重錘錘擊，錘擊能量大，使得應(yīng)力波所能傳達(dá)的深度增大，較易獲取樁底的反射情況，也可反映出樁身缺陷；在PHC管樁兩側(cè)對(duì)稱安裝1對(duì)加速度傳感器和1對(duì)力傳感器，不僅使測(cè)點(diǎn)布置合理、測(cè)試參數(shù)較多，而且使得樁身完整性檢測(cè)更加可靠。特別是判定樁身水平整合型裂縫、多道缺陷等情況時(shí)，能夠在查明缺陷是否影響豎向抗壓承載力的基礎(chǔ)上，合理判定缺陷程度。
在檢測(cè)PHC管樁完整性中也有一些問題存在：
1）由于高應(yīng)變法動(dòng)力測(cè)試數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量直接關(guān)系計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，正確采集信號(hào)是良好結(jié)果的前提條件。但影響采集信號(hào)的因素很多，如，樁頭處理好壞、錘擊位置及能量大小、傳感器安裝、外界干擾、儀器本身性質(zhì)等，都會(huì)影響數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。
2）由于高應(yīng)測(cè)試涉及錘擊系統(tǒng)，在港口工程中，高應(yīng)變測(cè)試大都采用打樁船上的打樁錘錘擊，因此，對(duì)沉樁施工有一定的影響，需統(tǒng)籌安排。
3港口工程中PHC管樁完整性檢測(cè)方法分析低應(yīng)變法和高應(yīng)變法用于PHC管樁完整性檢測(cè)的適用性可看出，由于低應(yīng)變法對(duì)管樁淺部缺陷的反應(yīng)比較明顯，且操作簡(jiǎn)單方便，因此建議沉樁前，初步測(cè)試堆放在駁船上的管樁，獲取較理想狀態(tài)的波形，以為后續(xù)測(cè)試提供參考波形。
對(duì)較長(zhǎng)的管樁（長(zhǎng)徑比大于30），可抽取一定比例進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)；而對(duì)打樁過程中出現(xiàn)異常情況的管樁，可先采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行初步檢測(cè)，以確定是否存在淺部缺陷，如低應(yīng)變反射波法所測(cè)波形無法解釋異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步采用高應(yīng)變法或孔內(nèi)攝像法檢測(cè)，進(jìn)而確定管樁是否存在沿樁軸線的豎向裂縫或深部缺陷。
在PHC管樁中示意圖，見3
4在PHC中管道完整性檢測(cè)記錄
4.1工程概況
長(zhǎng)江某港口工程基礎(chǔ)采用PHC管樁，錘擊打入。樁長(zhǎng)為41.0～47.0m，樁徑為800mm，管樁壁厚為110mm；以細(xì)砂為樁端持力層，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為6000kN。地層分布情況，見表2。
4.2在PHC管樁中的檢測(cè)分析
1）低應(yīng)變測(cè)試分析
該工程碼頭PHC管樁較長(zhǎng)，地質(zhì)情況復(fù)雜，部分基樁用低應(yīng)變檢測(cè)均無法判定樁底，且由于地層變化較復(fù)雜，極易出現(xiàn)錯(cuò)判或漏判。因此，為更好地檢測(cè)管樁質(zhì)量，先在駁船上，對(duì)該工程采用的幾類管樁進(jìn)行初步測(cè)試，以獲取較理想狀況的波形。
樁長(zhǎng)為47.0mPHC管樁橫躺狀態(tài)下測(cè)試所得波形，見圖4。
對(duì)同類型PHC管樁沉樁結(jié)束后，進(jìn)行了低應(yīng)變測(cè)試，波形變化較大。47.0mPHC管樁沉樁后采集的波形，見圖5。
從圖5中可以看出，在20.9m附近出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑現(xiàn)象，而預(yù)制樁出現(xiàn)擴(kuò)徑基本是不可能的。分析地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)在該深度處為粉砂，相對(duì)上、下地層，該層類似一硬夾層，使樁側(cè)土體波阻抗增大，極易導(dǎo)致該處波形顯現(xiàn)出擴(kuò)徑信號(hào)，從而可排除該樁擴(kuò)徑的可能性。同理，對(duì)縮徑信號(hào)，也可綜合分析沉樁前波形及地質(zhì)資料，以防錯(cuò)判或漏判。
2）高應(yīng)變測(cè)試分析
某根PHC管樁樁長(zhǎng)47.0m，打樁過程中出現(xiàn)異常，樁尖距設(shè)計(jì)高程5.0m左右，貫入度突然增大，最后陣擊貫入度達(dá)5cm。為掌握該樁的完整性情況，先對(duì)該樁進(jìn)行了低應(yīng)變測(cè)試。該樁低應(yīng)變測(cè)試波形，見圖6。
從波形看，該樁在距樁頂4.2m與12.8m的位置出現(xiàn)2次反射信號(hào)，但幅值不大，似有開裂的輕微缺陷。
打樁過程中出現(xiàn)貫入度突增的異常情況，可能由2種情況產(chǎn)生，一是地層突然變化，二是樁身斷裂。經(jīng)分析地質(zhì)情況，該深度處未見地層突變的現(xiàn)象，且該樁附近的其他沉樁均未出現(xiàn)異常情況。為了進(jìn)一步弄清出現(xiàn)打樁異?，F(xiàn)象的原因，對(duì)該樁又進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試。其高應(yīng)變測(cè)試波形，見圖7。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，該樁在12.8m處β值為0.34，屬于嚴(yán)重缺陷樁或斷樁。從F－V圖上來看，該樁在12.8m左右力曲線下移，說明由于樁身開裂，導(dǎo)致應(yīng)力急劇下降，樁身出現(xiàn)拉應(yīng)力；而速度曲線上移，說明該處樁身阻抗明顯降低，樁身開裂。最終判定該樁有嚴(yán)重缺陷，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)樁，消除了基樁質(zhì)量隱患，以確保工程質(zhì)量。
5結(jié)論
1）低應(yīng)變測(cè)試若未考慮樁周土對(duì)沿樁身傳播應(yīng)力波的影響，極易導(dǎo)致錯(cuò)判或漏判。在港口工程PHC管樁測(cè)試中，可采用沉樁前與沉樁后波形對(duì)比的方法，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行樁身完整性分析。
2）高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試錘擊能量較大，應(yīng)力波所能傳達(dá)的深度增大，對(duì)樁底的反射情況較易獲取，也能反映出樁身缺陷。同時(shí)，由于高應(yīng)變測(cè)試包括應(yīng)力波和樁身應(yīng)力的測(cè)試，對(duì)PHC管樁而言，樁身如有缺陷，兩者都能反映，因此，對(duì)PHC管樁的完整性檢測(cè)，高應(yīng)變測(cè)試更可靠。
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