1低应变法检测PHC管桩完整性

 

　　1.1低应变法测试原理

 

　　低应变反射波法是以应力波在桩身中的传播特征为理论基础的一种方法［5］。该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆件，并且不考虑桩周土对沿桩身传播的应力波的影响。根据一维波动理论可知，桩阻抗是其横截面积、材料密度和纵波速度的函数，其函数表达式为

 

　　Z=ρCA。（1）

 

　　式中Z为桩的广义波阻抗，N•s/m；C为纵波速度，m/s；ρ为桩的质量密度，kg/m3；A为桩身截面积，m2。

 

　　将一维波动理论用于线弹性桩（桩长远大于直径，且入射波波长大于直径），在桩顶锤击时，产生一维压缩波。该波以波速C向下传播，如不考虑桩周阻尼的影响，则桩顶入射波在桩身截面处的反射与透射，可表达为

 

　　

 

　　式中VI、VR、VT分别为入射、反射、透射波速度幅值；Z1、Z2分别为上、下介质的广义波阻抗。由式（2）、式（3）可见：

 

　　1）若桩身材料均匀、截面积相等，则Z1＝Z2、VR＝0，即桩身无反射波存在。

 

　　2）在桩底处，由于桩身混凝土与桩端岩土的ρ、C不等，即Z1≠Z2，因此将产生反射波；若Z1＞Z2，则VR与VT同相；若Z1＜Z2，则VR与VT反相。

 

　　3）若桩身存在缺陷，如断裂等，都将反映为Z2。其中扩径反射波反相，其余均为同相。从压缩波出现时刻算起，反射波所代表的位置可由反射波信号到达桩顶滞后的时差t确定，即LS＝tC/2，由此即可确定桩长或缺陷位置。

 

　　低应变反射波法检测示意，见图1。

 

　　1.2低应变法用于PHC管桩完整性检测的适用性

 

　　目前，低应变法以其测点广、经济、快捷、无损等诸多优点，成为应用最为广泛的基桩质量检测手段，但也存在着缺点和不足。主要表现在：

 

　　1）从上述低应变测试方法的基本原理可以看出，对PHC管桩而言，虽然PHC管桩桩身波阻抗基本相同，但却无法考虑桩周土层对波形曲线的影响。

 

　　由于应力波在桩中传播时，不仅受桩身材料、刚度及缺陷的影响，还与桩周土层的力学性能影响有关，即桩周土层的土力学性能越好，应力波在桩周土层中的损耗就越大；同时，受桩周土层的土体模量大小的影响，硬土层处会产生似扩径的反射波，软土层处会因应力波透射损耗小而产生似缩径的反射波。因此，不了解桩侧的土质情况有时会造成误判。

 

　　2）由于PHC管桩独特的环状结构，应力波传播途径会多样化，因此，当出现平行于桩轴线的垂直裂隙时，应力波极易绕射过去而无法检测到。

 

　　3）由于应力波反射法靠单一的波形特征来判断桩的缺陷，但缺乏对缺陷程度的定量分析，因此不能定量给出裂隙宽度的准确值。

 

　　4）当第1缺陷较大时，会阻断信号的上行与下达，增加深部缺陷和桩底的识别困难，特别是当第2缺陷为第1缺陷的2倍时更难以识别。

 

　　5）由于港口工程中应用的PHC管桩桩长与桩径比值较大，又为管桩结构，其应力波损失多，一般都无法抵达桩底，因此很难测到桩底反射。

 

　　6）PHC管桩的接头一般为法兰盘焊接。由于法兰盘的波阻抗与混凝土波阻抗存在差别或法兰盘焊接处焊接质量不好，均易出现异常信号，因此，很难判定PHC管桩的接头。

 

　　2高应变法检测PHC桩完整性

 

　　2.1高应变法测试基本原理

 

　　高应变动力测试是用重锤冲击桩顶，使桩顶产生动位移，并与静载荷试验至极限状态的沉降量相当，以便让桩周土极限阻力充分发挥。高应变动力测试是应用一维杆应力波理论，并应用检测截面的实测力和速度曲线，建立相应的桩、土单元数学模型，假定模型中土的极限阻力、阻尼系数、最大弹性变形值以及土塞、过渡层、软化和硬化系数等参数；利用实测的速度信号作为边界条件输入，通过特征线求解，反算桩力曲线，若计算力曲线和实测力曲线不符，则调整桩、土参数重新计算，直至与实测曲线的符合程度满足规范要求为止；评价锤击过程中桩土动力特性、土参数和桩的静力特性，给出沿桩身的土阻力分布、桩的极限承载力、模拟计算的Q－S曲线以及桩身剖面等，从而定量评价桩的极限承载力和桩身结构的完整性［6，7］。

 

　　评价桩身完整性可用β法，其计算公式为

 

　　式中β为桩身完整性系数；F（t1）、F（t2）分别为t1、t2时刻测点处实测的锤击力，kN；V（t1）、V（t2）分别为t1、t2时刻测点处实测的速度，m/s；tx为缺陷反射峰所对应的时刻，ms；F（tx）为缺陷反射峰对应时刻测点处实测的力，kN；V（tx）为缺陷反射峰对应时刻测点处实测的速度，m/s；△R为缺陷以上部位土阻力的估计值；Z为桩身截面力学阻抗，kN•s/m。

 

　　 高应变动力检测试验原理，见图2。

 

　　

 

　　2.2高应变法用于PHC管桩完整性检测的适用性

 

　　高应变动力测试采用重锤锤击，锤击能量大，使得应力波所能传达的深度增大，较易获取桩底的反射情况，也可反映出桩身缺陷；在PHC管桩两侧对称安装1对加速度传感器和1对力传感器，不仅使测点布置合理、测试参数较多，而且使得桩身完整性检测更加可靠。特别是判定桩身水平整合型裂缝、多道缺陷等情况时，能够在查明缺陷是否影响竖向抗压承载力的基础上，合理判定缺陷程度。

 

　　在检测PHC管桩完整性中也有一些问题存在：

 

　　1）由于高应变法动力测试数据的采集质量直接关系计算结果的准确性，因此，正确采集信号是良好结果的前提条件。但影响采集信号的因素很多，如，桩头处理好坏、锤击位置及能量大小、传感器安装、外界干扰、仪器本身性质等，都会影响数据的采集质量。

 

　　2）由于高应测试涉及锤击系统，在港口工程中，高应变测试大都采用打桩船上的打桩锤锤击，因此，对沉桩施工有一定的影响，需统筹安排。

 

　　3港口工程中PHC管桩完整性检测方法分析低应变法和高应变法用于PHC管桩完整性检测的适用性可看出，由于低应变法对管桩浅部缺陷的反应比较明显，且操作简单方便，因此建议沉桩前，初步测试堆放在驳船上的管桩，获取较理想状态的波形，以为后续测试提供参考波形。

 

　　对较长的管桩（长径比大于30），可抽取一定比例进行高应变动力检测；而对打桩过程中出现异常情况的管桩，可先采用低应变反射波法进行初步检测，以确定是否存在浅部缺陷，如低应变反射波法所测波形无法解释异常现象时，应进一步采用高应变法或孔内摄像法检测，进而确定管桩是否存在沿桩轴线的竖向裂缝或深部缺陷。

 

　　在PHC管桩中示意图，见3

 

　　4在PHC中管道完整性检测记录

 

　　4.1工程概况

 

　　长江某港口工程基础采用PHC管桩，锤击打入。桩长为41.0～47.0m，桩径为800mm，管桩壁厚为110mm；以细砂为桩端持力层，单桩极限承载力标准值为6000kN。地层分布情况，见表2。

 

　　4.2在PHC管桩中的检测分析

 

　　1）低应变测试分析

 

　　该工程码头PHC管桩较长，地质情况复杂，部分基桩用低应变检测均无法判定桩底，且由于地层变化较复杂，极易出现错判或漏判。因此，为更好地检测管桩质量，先在驳船上，对该工程采用的几类管桩进行初步测试，以获取较理想状况的波形。

 

　　桩长为47.0mPHC管桩横躺状态下测试所得波形，见图4。

 

　　对同类型PHC管桩沉桩结束后，进行了低应变测试，波形变化较大。47.0mPHC管桩沉桩后采集的波形，见图5。

 

　　从图5中可以看出，在20.9m附近出现严重扩径现象，而预制桩出现扩径基本是不可能的。分析地质资料发现在该深度处为粉砂，相对上、下地层，该层类似一硬夹层，使桩侧土体波阻抗增大，极易导致该处波形显现出扩径信号，从而可排除该桩扩径的可能性。同理，对缩径信号，也可综合分析沉桩前波形及地质资料，以防错判或漏判。

 

　　2）高应变测试分析

 

　　某根PHC管桩桩长47.0m，打桩过程中出现异常，桩尖距设计高程5.0m左右，贯入度突然增大，最后阵击贯入度达5cm。为掌握该桩的完整性情况，先对该桩进行了低应变测试。该桩低应变测试波形，见图6。

 

　　从波形看，该桩在距桩顶4.2m与12.8m的位置出现2次反射信号，但幅值不大，似有开裂的轻微缺陷。

 

　　打桩过程中出现贯入度突增的异常情况，可能由2种情况产生，一是地层突然变化，二是桩身断裂。经分析地质情况，该深度处未见地层突变的现象，且该桩附近的其他沉桩均未出现异常情况。为了进一步弄清出现打桩异常现象的原因，对该桩又进行高应变动力测试。其高应变测试波形，见图7。

 

　　根据测试结果分析，该桩在12.8m处β值为0.34，属于严重缺陷桩或断桩。从F－V图上来看，该桩在12.8m左右力曲线下移，说明由于桩身开裂，导致应力急剧下降，桩身出现拉应力；而速度曲线上移，说明该处桩身阻抗明显降低，桩身开裂。最终判定该桩有严重缺陷，及时进行补桩，消除了基桩质量隐患，以确保工程质量。

 

　　5结论

 

　　1）低应变测试若未考虑桩周土对沿桩身传播应力波的影响，极易导致错判或漏判。在港口工程PHC管桩测试中，可采用沉桩前与沉桩后波形对比的方法，结合地质资料进行桩身完整性分析。

 

　　2）高应变动力测试锤击能量较大，应力波所能传达的深度增大，对桩底的反射情况较易获取，也能反映出桩身缺陷。同时，由于高应变测试包括应力波和桩身应力的测试，对PHC管桩而言，桩身如有缺陷，两者都能反映，因此，对PHC管桩的完整性检测，高应变测试更可靠。