樁的旁孔透射波法檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用實(shí)例

陳龍珠，杜 燁，2，吳寶杰

(1．上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240;2．山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266590;3．浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310012)

樁身工程質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系著樁基承載力及其支撐的建筑安全。目前廣泛應(yīng)用于基樁工程質(zhì)量檢測(cè)的低應(yīng)變反射波法，在對(duì)長(zhǎng)徑比過(guò)大或缺陷嚴(yán)重的基樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，往往由于能量損耗或缺陷段頂面反射強(qiáng)烈而難以接收到其下部樁身和樁底的反射信號(hào)，因而無(wú)法有效地檢測(cè)更深部的樁身缺陷和樁底深度或樁長(zhǎng)。

旁孔透射波法(parallel seismic test)是由歐洲科技人員為解決既有建筑工程樁的樁長(zhǎng)檢測(cè)問(wèn)題而提出［1］。該方法在與樁相連的基礎(chǔ)側(cè)面激振，在基樁旁注滿(mǎn)水的測(cè)孔內(nèi)懸掛檢波器接收透射波信號(hào)，根據(jù)其P波的首至?xí)r間與深度關(guān)系(簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)深關(guān)系)確定樁身及地基土波速和樁長(zhǎng)。這一方法不僅可用于既有工程樁的檢測(cè)，也適用于在建工程樁的檢測(cè)［2-3］，并被嘗試用于檢測(cè)樁身缺陷［4］。

要成功地應(yīng)用旁孔透射波法檢測(cè)樁長(zhǎng)和樁身完整性，一是應(yīng)有一套合適的測(cè)試儀器系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作方法，二是需將樁長(zhǎng)和樁身完整性的分析方法建立在可信的理論基礎(chǔ)之上。與此同時(shí)，從工程應(yīng)用實(shí)例中獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也是一個(gè)重要的方面。

旁孔透射波法自提出之后，由于它比反射波法信號(hào)強(qiáng)、干擾少且能反映缺陷以下樁身質(zhì)量信息［5］，研究與應(yīng)用逐漸增多。Kenai等［6］采用旁孔透射波法對(duì)一機(jī)場(chǎng)復(fù)工改建工程的11根樁進(jìn)行了檢測(cè)分析，除測(cè)試樁底深度外，還通過(guò)擬合其P波平均速度來(lái)判斷樁身質(zhì)量好壞。Sack等［7］利用動(dòng)力觸探設(shè)備聯(lián)合開(kāi)展地基土特性和樁長(zhǎng)的旁孔透射波法檢測(cè)。Lo等［8］系統(tǒng)介紹了旁孔透射波檢測(cè)技術(shù)的儀器系統(tǒng)和測(cè)試方法，并對(duì)橋柱基礎(chǔ)底端埋深進(jìn)行檢測(cè)。吳寶杰等［2，9］采用聯(lián)合磁法和旁孔透射波法檢測(cè)了樁長(zhǎng)和鋼筋籠的長(zhǎng)度。

在理論研究方面，Liao等［10］利用 Snell定律建立了旁孔透射波法的理論基礎(chǔ)，提出由兩擬合線(xiàn)交點(diǎn)及相應(yīng)的校正算式確定樁底深度，并用有限元模型進(jìn)行檢驗(yàn)。黃大治等［11-12］通過(guò)三維有限元模擬分析了旁孔透射波法檢測(cè)水泥攪拌樁和頂部帶承臺(tái)的既有工程樁長(zhǎng)度的可行性，提出將上段首至波走時(shí)擬合線(xiàn)平移過(guò)原點(diǎn)，其與下段擬合線(xiàn)的交點(diǎn)作為樁底深度。Huang等［13］通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)比分析了樁頂連接承臺(tái)前后進(jìn)行的旁孔透射波法測(cè)試，發(fā)現(xiàn)樁頂覆蓋承臺(tái)前后均能較好地確定樁底深度。旁孔透射波法測(cè)試中鉆孔與樁身不平行時(shí)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差。Ni等［14］則給出了考慮旁孔傾斜角的樁底深度校正算式。陳龍珠等［3，15］綜述了旁孔透射波法研究與應(yīng)用的階段性成果，并采用簡(jiǎn)化分析模型，給出了完整樁的底端深度計(jì)算公式和適用條件，使得檢測(cè)及分析結(jié)果更加可靠。

歐美現(xiàn)有的旁孔透射波法在檢測(cè)時(shí)將檢波器懸掛于注滿(mǎn)水的旁孔之中，分析樁底深度或樁長(zhǎng)主要利用樁身向下傳播的P波及其透射傳播到旁孔的P波(簡(jiǎn)稱(chēng)PP波)的時(shí)深關(guān)系。若利用下孔法檢測(cè)地基土波速的三分量檢波器，因其可以通過(guò)充氣囊或彈簧片彈性固定于孔壁，不但可以采集PP波信號(hào)，而且可以采集到樁身P波透射到旁孔的S波(簡(jiǎn)稱(chēng)PS 波)［7，16-17］。Zhang 等［18-19］通過(guò)數(shù)值模擬分析了豎向或接近于豎向的斜向激勵(lì)下旁孔透射波的豎向和水平信號(hào)特征，表明分別在豎向信號(hào)上識(shí)別PS波首至?xí)r間、在水平信號(hào)上識(shí)別PP波首至?xí)r間相對(duì)更加簡(jiǎn)便。

對(duì)PP波來(lái)說(shuō)，若樁基工程所在場(chǎng)地的地下水埋深淺，土處于飽和狀態(tài)，則由于P波速度受土孔隙率的影響相對(duì)較?。?0］，在旁孔透射波法檢測(cè)分析時(shí)，可不考慮地基土的層狀特性。但對(duì)于非飽和地基土，P波速度受地基層狀特性的影響將不可忽視;對(duì)PS波來(lái)說(shuō)，無(wú)論地下水位高低，由于地基土的成層性對(duì)S波速度的影響較大，都應(yīng)該予以修正。降低地基土層狀特性對(duì)旁孔透射波法的影響，可采取兩種方式:①盡量減小旁孔與被檢樁的水平凈間距［2，8］，使得 PP 波、PS 波在土中的傳播時(shí)間占比及對(duì)地基土層狀特性的影響得以降低;②在旁孔中采用下孔法實(shí)測(cè)地基土P波、S波速度沿深度的變化，并結(jié)合勘探報(bào)告劃定地基土的分層界面，然后在樁的旁孔透射波法檢測(cè)分析時(shí)消除它們的影響［17，19］。但是第2種方式目前尚須研究建立層狀地基條件下旁孔透射波法的測(cè)試分析方法。

對(duì)實(shí)際工程來(lái)說(shuō)，不但樁底深度或樁長(zhǎng)需要檢測(cè)，而且還需要了解樁身是否存在缺陷。對(duì)此，Liao等［10］利用有限元模型模擬分析了縮頸、擴(kuò)頸段對(duì)旁孔透射波法PP波時(shí)深關(guān)系的影響。上海交通大學(xué)土木工程系陳龍珠的課題組［3，4，19］利用射線(xiàn)理論建立了樁身具有一段缺陷條件下的PP波時(shí)深關(guān)系計(jì)算公式，由此提出了樁底和缺陷深度、缺陷段長(zhǎng)度及其P波速度(反映缺陷程度)的確定方法，并用有限元模型進(jìn)行了模擬比較分析，但仍需要接受試驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)。浙江省建筑科學(xué)研究院有限公司曾對(duì)某實(shí)際工程中一根靜載抗壓試驗(yàn)結(jié)果異常的基樁，采用了旁孔透射波法進(jìn)行檢測(cè)。本文首先扼要闡述旁孔透射波法檢測(cè)樁身缺陷的分析方法，接著對(duì)該試樁的旁孔透射波法檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，評(píng)估其樁身質(zhì)量和樁底深度，以此說(shuō)明旁孔透射波法檢測(cè)分析樁身質(zhì)量的過(guò)程，并作為對(duì)本文方法的一次檢驗(yàn)。

1 缺陷樁的旁孔透射波法檢測(cè)原理

飽和土地基的成層性對(duì)P波傳播速度的影響不大，以下將其按均質(zhì)飽和地基進(jìn)行分析。如圖1所示，對(duì)頂面裸露于地表的在建工程基樁，樁底埋深即樁長(zhǎng)為L(zhǎng);假定樁身存在一個(gè)低速缺陷段，缺陷段頂面深度為z0，缺陷段長(zhǎng)度為ΔL;旁孔與被檢基樁之間的水平凈間距(簡(jiǎn)稱(chēng)旁孔距)為D，有:

式中:θ1、θ2分別為首至 PP波、PS波在樁周土中傳播路徑的水平傾角;n為樁身P波速度Vpp與地基土P波速度的比值，以下簡(jiǎn)稱(chēng)樁土波速比;α為樁身缺陷程度;Vsp、Vpp和Vdp分別為地基土的三維 P波波速、樁身正常段和低速缺陷段的一維P波波速;zP和zdP分別為樁身正常段和低速缺陷段的透射深度。一般有 n≥α＞1。

在不考慮頂部三維效應(yīng)的情況下，當(dāng)旁孔內(nèi)深度為 z的測(cè)點(diǎn)處于 zP＜z＜zud和 zdu＜z＜L+zP范圍時(shí)，旁孔內(nèi)首至波的時(shí)深關(guān)系為相互平行的兩直線(xiàn)段，其斜率為樁身正常段一維P波速度［4］(圖1(c))。對(duì)文獻(xiàn)［4］的簡(jiǎn)化理論公式作進(jìn)一步整理和簡(jiǎn)化，則zdu＜z＜L+zP范圍內(nèi)的直線(xiàn)段的上端點(diǎn)深度zdu可表示為

圖1 單個(gè)低速缺陷段的旁孔透射波法簡(jiǎn)化分析示意圖

為兩平行直線(xiàn)在時(shí)間軸上的截距之差(圖1(c))。

將zdu＜z＜L+zP范圍內(nèi)直線(xiàn)與樁底以下地基土對(duì)應(yīng)的擬合直線(xiàn)的交點(diǎn)深度記為zi，則可得如下樁底埋深或樁長(zhǎng)L的計(jì)算公式，它與樁身無(wú)缺陷時(shí)的形式相同［3］:

2 樁身缺陷及樁底深度的確定方法

樁身缺陷主要由缺陷頂面深度z0、缺陷長(zhǎng)度ΔL和缺陷嚴(yán)重程度α三要素來(lái)衡量。在檢測(cè)分析中，觀察所得旁孔內(nèi)各測(cè)點(diǎn)首至波時(shí)深關(guān)系的變化特征，在預(yù)估的樁長(zhǎng)深度范圍內(nèi)，若能以一條直線(xiàn)擬合，而且由其確定的樁身P波速度值處于正常范圍，則認(rèn)為樁身完整;若需要用兩條平行直線(xiàn)及其中間過(guò)渡段來(lái)擬合，則意味著可能存在一段樁身缺陷。

當(dāng)初步判斷樁身可能存在缺陷時(shí)，細(xì)化擬合兩平行直線(xiàn)段，以合理地確定它們的斜率和樁身正常段的P波速度Vpp、平行直線(xiàn)段在時(shí)間軸上的截距之差Δt及上一直線(xiàn)段下端點(diǎn)和下一直線(xiàn)段上端點(diǎn)所在深度zud和zdu，兩者之差Δz以及所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差tud，并利用式(9)檢驗(yàn)這些數(shù)據(jù)讀取的誤差程度。按與完整樁類(lèi)似的方法［3，15］，在 z≥L+5D 范圍擬合樁端以下首至P波的時(shí)深關(guān)系，由其斜率確定地基土P波速度Vsp及樁土波速比n，由式(2)確定樁身完整段的透射深度zP，再由式(7)即可確定樁身缺陷位置z0。由樁端以下地基土擬合直線(xiàn)與缺陷段下方擬合直線(xiàn)的交點(diǎn)深度zi，采用式(11)計(jì)算樁長(zhǎng)L。

為評(píng)價(jià)樁身缺陷程度，由式(10)得ΔL=VppΔt/(α－1)，將其代入式(8)的第1個(gè)式子，得到關(guān)于α的一元二次方程為

求解式(12)并根據(jù)n≥α＞1確定樁身的缺陷程度α，再將得到的 α分別代入式(4)、式(5)和式(10)計(jì)算 ΔLcr、Δz1和 ΔL。由前述推導(dǎo)，得到的 ΔL應(yīng)滿(mǎn)足 ΔL＞ΔLcr且 ΔL＜Δz的條件。

若通過(guò)上述計(jì)算得到的ΔL不滿(mǎn)足上述條件，則樁身的缺陷程度及缺陷長(zhǎng)度應(yīng)按ΔL≤ΔLcr進(jìn)行評(píng)價(jià)。將式(4)代入條件ΔL≤ΔLcr，整理得:

對(duì)頂部與基礎(chǔ)或上部結(jié)構(gòu)相連的既有工程樁，經(jīng)公式推導(dǎo)表明，樁長(zhǎng)及樁身缺陷參數(shù)與波由基礎(chǔ)側(cè)面激振點(diǎn)至樁頂面的傳播時(shí)間t0無(wú)關(guān)。因此，上述公式對(duì)既有工程樁同樣適用。

3 工程檢測(cè)實(shí)例分析

位于浙江省沿海城市溫嶺深厚軟土地區(qū)的某裝飾材料有限公司，其3～5號(hào)廠房為兩層框架結(jié)構(gòu)。地基土部分物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，其基礎(chǔ)采用直徑500mm、壁厚65mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁，樁身混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C60，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)33 m(分3節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)11 m)。在進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)1根試樁的承載力偏低且與設(shè)計(jì)要求相差較大。在檢測(cè)該樁的長(zhǎng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的過(guò)程中，因存在樁身接頭反射干擾，以及整樁的長(zhǎng)徑比過(guò)大(L/d=66)，樁底反射難以辨識(shí)，因而低應(yīng)變反射波法檢測(cè)難以給出可信的結(jié)論。于是，在樁側(cè)鄰近地基土中鉆孔埋管(旁孔距約為10 cm，可測(cè)深度37m)，嘗試采用了歐美國(guó)家用于檢測(cè)既有工程樁長(zhǎng)的旁孔透射波法和磁法聯(lián)合試驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題［2］。

表1 地基土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

旁孔透射波法的檢測(cè)信號(hào)如圖2所示，該圖曾在文獻(xiàn)［2］中出現(xiàn)過(guò)，但在制圖排版過(guò)程中出現(xiàn)失誤而使部分豎軸的深度標(biāo)注偏移了位置，現(xiàn)予以糾正，同時(shí)對(duì)初至波之前的噪音也作了適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾。

圖2 基樁旁孔透射波法實(shí)測(cè)信號(hào)

由圖2可知，在整個(gè)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，旁孔透射波信號(hào)上的首至P波均清晰可辨，且在深度大約超過(guò)11 m后，波形特征發(fā)生了較為明顯的變化。但在當(dāng)時(shí)采用這種檢測(cè)技術(shù)時(shí)，尚無(wú)缺陷樁的旁孔透射波信號(hào)特征和樁身缺陷的分析方法，只能將樁底以上首至P波的時(shí)深關(guān)系擬合成一條直線(xiàn)，意味著認(rèn)為樁身是完整無(wú)缺陷的。但是，由該擬合直線(xiàn)關(guān)于橫坐標(biāo)(時(shí)間)的斜率確定的樁身P波速度僅約為3650 m/s。這對(duì)C60的先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁來(lái)說(shuō)，這個(gè)波速值顯然偏低了。因此，不能認(rèn)為該基樁樁身質(zhì)量完好。

工程場(chǎng)地地下水位埋深淺，可近似按均質(zhì)飽和地基來(lái)分析被檢基樁的旁孔透射波特性。根據(jù)圖2信號(hào)的特征，在鉆孔測(cè)試深度范圍內(nèi)，可將首至P波時(shí)深關(guān)系分成4個(gè)區(qū)段，其中與樁身有關(guān)的3個(gè)區(qū)段是上、下各1條直線(xiàn)及其之間的過(guò)渡段，最下方是樁底以下土層對(duì)應(yīng)的直線(xiàn)段。與樁身對(duì)應(yīng)的首至波時(shí)深關(guān)系上的兩條直線(xiàn)基本平行，由其斜率分別得到樁身P波速度為3945m/s和3750m/s，均值為3848 m/s，與用錘擊法測(cè)試C60混凝土P波速度的常見(jiàn)范圍基本相符;對(duì)與樁底以下相關(guān)的直線(xiàn)，由其斜率確定飽和地基土的P波速度為1346 m/s，與飽和軟黏土P波速度的常見(jiàn)范圍相符［20］。

取正常樁身P波速度Vpp=3848 m/s，它與地基土P波速度之比n=2.86。旁孔距D=0.1 m，則樁身完整段的P波透射深度zP=0.04 m。在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，旁孔首至P波時(shí)深關(guān)系由兩條平行線(xiàn)及其之間的過(guò)渡段構(gòu)成，表明該試樁樁身存在缺陷。在圖2中，這兩條平行線(xiàn)在時(shí)間軸上的截距差Δt=4.525×10－4s;上一條直線(xiàn)段下端點(diǎn)深度zud=16.5 m，由式(7)得缺陷頂面深度z0約為16.5 m;下一條直線(xiàn)段上端點(diǎn)的深度zud=22.5m，則Δz=6.0m。將Vpp、D、Δt、Δz、n 代入式(13)～ (15)，并求解式(12)得到2個(gè)解:①α1=1.374，相應(yīng)有 ΔL=4.73 m，ΔLcr=0.009 m，zdp=0.055 m，Δz1=0.008 m;②α2=1.291，則ΔL=5.99 m，ΔLcr=0.007 m，zdp=0.051 m，Δz1=0.007 m。

上述兩種情況均滿(mǎn)足 ΔL＞ΔLcr和 ΔL＜Δz的條件，但只有②能夠同時(shí)滿(mǎn)足式(8)和式(10)，所以它是有意義的解。由α=1.291和Vpp=3848 m/s得缺陷段樁身P波速度約為2981 m/s，嚴(yán)重低于C60混凝土波速的正常范圍?？梢酝茰y(cè)，該段樁身在打樁施工和豎向抗壓靜載試驗(yàn)過(guò)程中已遭受損壞，從而導(dǎo)致樁頂在明顯低于設(shè)計(jì)要求的極限承載力對(duì)應(yīng)的荷載下發(fā)生急劇的沉降。

由圖2可知，與缺陷以下完整樁身相關(guān)的下一條直線(xiàn)與樁底以下土相關(guān)的直線(xiàn)之交點(diǎn)深度為31.5 m?？刹捎檬?11)計(jì)算出樁底埋深為31.4 m，比3節(jié)預(yù)制樁長(zhǎng)度33m小約4.8%。試樁頂面離場(chǎng)地表面的高差、樁身缺陷段在豎向抗壓靜載試驗(yàn)過(guò)程中破損壓縮，均會(huì)使樁底埋深小于3節(jié)預(yù)制樁的長(zhǎng)度。

樁頂沉降為樁身壓縮量與樁底沉降之和。在靜載試驗(yàn)加載過(guò)程中，若樁底沉降正常，但樁身缺陷段受壓破壞而產(chǎn)生較大的壓縮量，則樁頂便會(huì)出現(xiàn)驟增的沉降。在這個(gè)工程實(shí)例中，工程樁的抗壓特性應(yīng)屬于端承摩擦型的，樁底埋深即使略有不足，也不會(huì)嚴(yán)重降低基樁的極限承載力。

綜合上述旁孔透射波法檢測(cè)分析結(jié)果，筆者認(rèn)為，該試樁在豎向抗壓靜載試驗(yàn)中出現(xiàn)異常的主要原因，很可能是因?yàn)闃渡碇胁看嬖谌毕荻位虮淮驑稊D土效應(yīng)產(chǎn)生了豎向彎曲，在加載到一定數(shù)值后發(fā)生樁身破壞所致。

4 結(jié)語(yǔ)

由歐美提出的用于檢測(cè)既有建筑工程樁基長(zhǎng)度的旁孔透射波法，經(jīng)過(guò)20年來(lái)的不斷研究，其測(cè)試系統(tǒng)、分析理論和應(yīng)用范圍都得到了良好的發(fā)展，這其中我國(guó)科技人員在提高樁底深度或樁長(zhǎng)測(cè)試精度、樁身缺陷分析方法以及PS波利用等方面作出了貢獻(xiàn)。

采用旁孔透射波法對(duì)浙江沿海深厚軟土地區(qū)某工程豎向抗壓靜載試樁進(jìn)行檢測(cè)與分析，結(jié)果表明該樁在靜載試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)異常的主要原因，很可能是樁身受力破壞，而不是樁長(zhǎng)不足而未進(jìn)入持力層所致。

旁孔透射波法由于實(shí)測(cè)信號(hào)是經(jīng)樁身傳播透射到緊鄰旁孔的直達(dá)波，對(duì)既有服役建筑下的樁，其首至?xí)r間不受與樁頂相連的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)反射下行波的影響;對(duì)頂面裸露的在建工程樁，其傳播路徑遠(yuǎn)比反射波法的短且能量損耗小。因此，實(shí)測(cè)信號(hào)相對(duì)更為清晰，能夠反映缺陷以下樁身的質(zhì)量信息，是一種在樁基檢測(cè)中值得推廣應(yīng)用的新技術(shù)。

致謝:第二作者參與本文研究工作，并由此得到了山東省高等學(xué)校青年骨干教師國(guó)內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者項(xiàng)目資助。

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