基桩严重浅部缺陷检测的理论与工程实践
杨建强
（郑州市公路工程质量监督站 河南郑州 450007）
摘 要 在瞬态激励作用下，一维杆弹性波动理论不再满足，缺陷以上桩体表现为刚体阻尼振动，基于牛顿第二定律，建立了其在瞬态激励作用下，缺陷以上桩体的振动模型，并结合工程实践，分析了当基桩存在浅部严重缺陷时其低应变实测曲线的特征。
关键词 基桩，浅部缺陷， 振动模型， 曲线特征
THE TEST THEORY AND PRACTICE OF THE SEVERE FAULTS
IN THE UPPER PARTS OF THE PILE
YANG Jian－qiang
（Zhenzhou road engineering quality supervise department, Henan, Zhenzhou 450007）
Abstract The mathematical model of the vibration about the upper severe faults in a pile is put forward based on theoretical analysis , and the curve characters of low strain test is described according to its engineering practice .
Keywords pile, upper faults, vibrating-model ,curve characters .
1 引言
随着我国建筑事业的发展，桩基已成为一种重要的基础形式，在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口、码头、海上采油平台、核电站工程以及地震区、软土地区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区和冻土地区的地基处理中得到广泛地应用。桩基工程除因受岩土工程条件、基础与结构设计、桩土体系相互作用、施工以及专业技术水平和经验等关联因素的影响而具有复杂性外，桩的施工还具有高度的隐蔽性，发现质量问题难，事故处理更难。因此，桩基检测工作是整个桩基工程中*的环节，只有提高桩基检测工作的质量和检测评定结果的可靠性，才能真正地确保桩基工程的质量与安全[1~5]。
基桩的桩身如果存在严重缺陷，会造成建筑物基础隐患，当缺陷位于桩的浅部时，将影响上部荷载的向下传递，同时会在缺陷部位产生应力集中现象，其破坏后果将更为严重。然而，在基桩低应变动力检测实践中，利用现有一维杆弹性波反射理论很难对桩身浅部存在严重缺陷的实测曲线进行准确的分析。本文建立了当基桩存在浅部严重缺陷时，桩体上段所满足的刚体阻尼振动模型，并结合实际工程经验，对其低应变实测曲线特征进行了总结。
2 桩体振动模型
低应变动力检测是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法将桩假定为连续弹性的一维截面均质杆件，并且不考虑桩周土体对沿桩身传播应力波的影响。当在桩顶施加一瞬态锤击振力，将在桩内激发应力波，由于桩与周土之间的波阻抗差异悬殊，应力波的大部分能量将在桩内传播，当波长Ｌ＞＞桩径Ｄ，应力波波长λ＞＞Ｄ时，桩可以看作一维杆件，应力波在桩内传播可以采用一维杆波动方程计算[6]。
(1)
垂直入射的应力波在桩内传播过程中，当桩内存在有波阻抗差异界面时，波将产生反射波和透射波，反射波将沿桩身反向传播到桩顶，而透射波继续向下传播。桩身的缺陷、桩底均可以根据反射波的相位、振幅、频率特性，辅以地层资料、施工记录以及实践分析经验，对其性质作出确切的判断[7,8]。
然而，当基桩存在浅部严重缺陷（例如断裂、严重缩径、严重离析等）时，激振引发的振动集中在缺陷以上桩体段，缺陷以上桩体的主要运动形式应表现为刚体阻尼振动，而不再满足一维杆弹性波动理论。这是因为，在实际工程中，桩身上段通常配有钢筋笼，而钢筋的弹性较之混凝土的弹性大得多，而且，浅部桩周土层的摩阻力通常很小。因此，在基桩存在浅部严重缺陷情形下，当外力突然施加于桩顶时，缺陷以上桩体可视为刚体，缺陷部位处出露的钢筋笼等价于弹簧支撑，浅部桩周土的阻力可视为附加一个阻尼器，这样便构成一个简化的振动系统。其物理模型如图 设坐标轴x与桩轴线方向一致，并取向下为正，坐标原点与刚体段（以M表示，其质量亦设为M）的中心重合。
当突然施加外力 于M时，M受到的力有：外部的激振力 、弹簧的弹性支撑力 和阻尼器的粘滞阻力 ，其中，弹性力
（2）
负号代表弹性力的方向与位移方向相反；
（3）
负号表示粘滞阻力的方向和刚体段运动速度方向相反。由牛顿第二定律得：
（4）
即
（5）
令
（5）式变为：
（6）
式中，β称为桩侧土的粘滞阻尼系数，其单位为s-1，ω称为刚体段的自振园频率。
当基桩浅部存在严重缺陷时，浅层桩侧土的阻力较小，仅考虑小阻尼（即β<ω）情况。
（6）式的通解为：
（7）
称为阻尼自振园频率。其中A1和A2为待定系数。
假定初始时刻 ，满足以下条件：
(8)
可以解得：
(9)
则
（10）
由于实际工程检测中常采用速度或加速度传感器，故需求出振动的速度函数 和加速度函数 。
（11）
（12）
其中， ，
根据（10）、（11）、（12）三式，可以得出其振动特性：振幅随时间t的变化呈指数规律衰减，衰减的快慢取决于阻尼系数β，即与桩侧土的粘滞阻尼系数η和刚体的质量M的大小有关，η愈大，M愈小，振动响应的振幅衰减就愈快，反之亦然。
3 工程实践
为了更好地说明基桩存在浅部严重缺陷时实测曲线特征，本文首先给出一条典型的完整桩的实测曲线，如图2所示，基本特征满足（1）式。
图2.完整桩的实测曲线
图（2）为一预制方桩的实测曲线，400×400mm2,桩长9.0m，桩身砼强度等级C30。测试时小锤激发。实测曲线规则，除初动波外，仅有桩底产生的反射波（9.0m）存在。
图（3）～图（6）为浅部存在严重缺陷的工程桩和模型桩的实测曲线。
图3. 854#桩低应变实测曲线
图4. 74#桩低应变实测曲线斜断裂面
图5.HW6#桩低应变实测曲线（小锤激发）
图6. HW6#桩低应变实测曲线（大锤激发）
图3为钻孔灌注桩（桩底后注浆），桩径600mm，桩长21.7m，桩身砼强度等级C25，小锤激振。该曲线基本形态为长周期的正弦振荡曲线，初动波上叠加有1.2m断裂缺陷的多次反射波，无桩底反射信息。开挖结果表明，该桩1.2m处严重夹泥，形成断桩。
图4为钻孔灌注桩，桩径600mm，桩长16.0m，桩身砼强度等级C20。小锤激发。该曲线基本形态为正弦振荡曲线，无桩底反射信息。开挖结果表明，该桩0.5m～0.8m存在一个斜断裂面。
图5和图6为预制模型方桩，450×450mm2,桩长6.0m，桩身砼强度等级C20，1.0m设置一断裂面 。图5为1kg铁锤激发，图6为8磅铁锤激发，该曲线基本形态为长周期的正弦振荡曲线，因小锤激励的为断面反射波与质—弹系统强迫振动的叠加，而大锤所激励的为（6）式的质—弹系统共振，这表明小锤激发测浅部缺陷效果要比大锤好得多。
4 结论
根据大量工程桩的实测以及开挖验证的结果，基桩存在浅部严重缺陷时的实测曲线除满足（7）式的基本特征外，还与锤的重量、锤头的材料、碰击时间、基桩的龄期、传感器的安装等有关，综合其特征如下：
1.曲线基本形态为长周期的正弦振荡曲线，总体呈指数规律衰减。
2.敲击之后，首先记录到的首波的波幅较正常桩明显大，甚至出现“陷幅”现象。
3.首波后往往叠加有浅部缺陷的多次反射波，小锤敲击时更加明显，而大锤敲击时产生的缺陷反射波则不明显。
4.当缺陷为全部断裂时，实测曲线往往表现为正弦振荡信号；当缺陷为局部断裂或严重缩径时，振荡曲线上叠加有缺陷断面的反射波。
当基桩浅部存在严重缺陷，基桩桩顶受到瞬时激振时，其主要运动形式为缺陷以上桩体段的刚体阻尼振动，而非一维波动。纵然存在“盲区”现象，根据上述理论和实践，桩身“盲区”内存在严重缺陷时，仍是可以判断的，桩基浅部缺陷的波动特征分析还依赖于工程实践经验，其理论有待进一步探讨。
参 考 文 献
[1] 刘明贵，佘诗刚，汪大国. 桩基检测技术指南[M]. 北京：科学出版社，1995
[2] 刘明贵，蔡忠理，佘诗刚. 基桩与场地检测技术[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，1995
[3] 徐攸在,刘兴满.桩的动测新技术.北京:中国建筑工业出版社,1989.
[4] 柴华友. 刘明贵. 李祺. 陈星烨.应力波在平台-桩系统中传播的实验研究.岩土力学， 2002年04期
[5] 方志香，吴亚平. 反射波法在基桩完整性检测中的应用. 岩土工程界，2000(8)：23～25
[6] 中国建筑科学研究院. JGJ/T93-95. 基桩低应变动力检测规程. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997
[7] 柳祖亭、顾利平、骆英等. 桩基振动分析与质量监测. 南京: 东南大学出版社, 1995
[8] 雷林源. 桩基瞬态动测响应的数学模型与基本特性. 地球物理学报. ,1992年第4期.
