隨著我國(guó)建筑事業(yè)的發(fā)展，樁基已成為一種重要的基礎(chǔ)形式，在高層建筑、重型廠房、橋梁、港口、碼頭、海上采油平臺(tái)、核電站工程以及地震區(qū)、軟土地區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)、膨脹土地區(qū)和凍土地區(qū)的地基處理中得到廣泛地應(yīng)用。樁基工程除因受巖土工程條件、基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樁土體系相互作用、施工以及專業(yè)技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)等關(guān)聯(lián)因素的影響而具有復(fù)雜性外，樁的施工還具有高度的隱蔽性，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題難，事故處理更難。因此，樁基檢測(cè)工作是整個(gè)樁基工程中不可缺少的環(huán)節(jié)，只有提高樁基檢測(cè)工作的質(zhì)量和檢測(cè)評(píng)定結(jié)果的可靠性，才能真正地確保樁基工程的質(zhì)量與安全[1~5]。
基樁的樁身如果存在嚴(yán)重缺陷，會(huì)造成建筑物基礎(chǔ)隱患，當(dāng)缺陷位于樁的淺部時(shí)，將影響上部荷載的向下傳遞，同時(shí)會(huì)在缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其破壞后果將更為嚴(yán)重。然而，在基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)實(shí)踐中，利用現(xiàn)有一維桿彈性波反射理論很難對(duì)樁身淺部存在嚴(yán)重缺陷的實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。本文建立了當(dāng)基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷時(shí)，樁體上段所滿足的剛體阻尼振動(dòng)模型，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線特征進(jìn)行了總結(jié)。
低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)是以應(yīng)力波在樁身中的傳播反射特征為理論基礎(chǔ)的一種方法。該方法將樁假定為連續(xù)彈性的一維截面均質(zhì)桿件，并且不考慮樁周土體對(duì)沿樁身傳播應(yīng)力波的影響。當(dāng)在樁頂施加一瞬態(tài)錘擊振力，將在樁內(nèi)激發(fā)應(yīng)力波，由于樁與周土之間的波阻抗差異懸殊，應(yīng)力波的大部分能量將在樁內(nèi)傳播，當(dāng)波長(zhǎng)Ｌ＞＞樁徑Ｄ，應(yīng)力波波長(zhǎng)λ＞＞Ｄ時(shí)，樁可以看作一維桿件，應(yīng)力波在樁內(nèi)傳播可以采用一維桿波動(dòng)方程計(jì)算[6]。
垂直入射的應(yīng)力波在樁內(nèi)傳播過(guò)程中，當(dāng)樁內(nèi)存在有波阻抗差異界面時(shí)，波將產(chǎn)生反射波和透射波，反射波將沿樁身反向傳播到樁頂，而透射波繼續(xù)向下傳播。樁身的缺陷、樁底均可以根據(jù)反射波的相位、振幅、頻率特性，輔以地層資料、施工記錄以及實(shí)踐分析經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其性質(zhì)作出確切的判斷[7,8]。
然而，當(dāng)基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷（例如斷裂、嚴(yán)重縮徑、嚴(yán)重離析等）時(shí)，激振引發(fā)的振動(dòng)集中在缺陷以上樁體段，缺陷以上樁體的主要運(yùn)動(dòng)形式應(yīng)表現(xiàn)為剛體阻尼振動(dòng)，而不再滿足一維桿彈性波動(dòng)理論。這是因?yàn)椋趯?shí)際工程中，樁身上段通常配有鋼筋籠，而鋼筋的彈性較之混凝土的彈性大得多，而且，淺部樁周土層的摩阻力通常很小。因此，在基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷情形下，當(dāng)外力突然施加于樁頂時(shí)，缺陷以上樁體可視為剛體，缺陷部位處出露的鋼筋籠等價(jià)于彈簧支撐，淺部樁周土的阻力可視為附加一個(gè)阻尼器，這樣便構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)化的振動(dòng)系統(tǒng)。其物理模型如圖 設(shè)坐標(biāo)軸x與樁軸線方向一致，并取向下為正，坐標(biāo)原點(diǎn)與剛體段（以M表示，其質(zhì)量亦設(shè)為M）的中心重合。
（5）式變?yōu)椋?/DIV>
（6）
式中，β稱為樁側(cè)土的粘滯阻尼系數(shù)，其單位為s-1，ω稱為剛體段的自振園頻率。
當(dāng)基樁淺部存在嚴(yán)重缺陷時(shí)，淺層樁側(cè)土的阻力較小，僅考慮小阻尼（即β<ω）情況。
（6）式的通解為：
（7）
稱為阻尼自振園頻率。其中A1和A2為待定系數(shù)。
假定初始時(shí)刻 ，滿足以下條件：
(8)
可以解得：
(9)
則
（10）
由于實(shí)際工程檢測(cè)中常采用速度或加速度傳感器，故需求出振動(dòng)的速度函數(shù) 和加速度函數(shù) 。
（11）
（12）
其中， ，
根據(jù)（10）、（11）、（12）三式，可以得出其振動(dòng)特性：振幅隨時(shí)間t的變化呈指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的快慢取決于阻尼系數(shù)β，即與樁側(cè)土的粘滯阻尼系數(shù)η和剛體的質(zhì)量M的大小有關(guān)，η愈大，M愈小，振動(dòng)響應(yīng)的振幅衰減就愈快，反之亦然。
3 工程實(shí)踐
為了更好地說(shuō)明基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷時(shí)實(shí)測(cè)曲線特征，本文首先給出一條典型的完整樁的實(shí)測(cè)曲線，如圖2所示，基本特征滿足（1）式。
圖2.完整樁的實(shí)測(cè)曲線
圖（2）為一預(yù)制方樁的實(shí)測(cè)曲線，400×400mm2,樁長(zhǎng)9.0m，樁身砼強(qiáng)度等級(jí)C30。測(cè)試時(shí)小錘激發(fā)。實(shí)測(cè)曲線規(guī)則，除初動(dòng)波外，僅有樁底產(chǎn)生的反射波（9.0m）存在。
圖（3）～圖（6）為淺部存在嚴(yán)重缺陷的工程樁和模型樁的實(shí)測(cè)曲線。
圖3. 854#樁低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線
圖4. 74#樁低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線斜斷裂面
圖5.HW6#樁低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線（小錘激發(fā)）
圖6. HW6#樁低應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線（大錘激發(fā)）
圖3為鉆孔灌注樁（樁底后注漿），樁徑600mm，樁長(zhǎng)21.7m，樁身砼強(qiáng)度等級(jí)C25，小錘激振。該曲線基本形態(tài)為長(zhǎng)周期的正弦振蕩曲線，初動(dòng)波上疊加有1.2m斷裂缺陷的多次反射波，無(wú)樁底反射信息。開挖結(jié)果表明，該樁1.2m處嚴(yán)重夾泥，形成斷樁。
圖4為鉆孔灌注樁，樁徑600mm，樁長(zhǎng)16.0m，樁身砼強(qiáng)度等級(jí)C20。小錘激發(fā)。該曲線基本形態(tài)為正弦振蕩曲線，無(wú)樁底反射信息。開挖結(jié)果表明，該樁0.5m～0.8m存在一個(gè)斜斷裂面。
圖5和圖6為預(yù)制模型方樁，450×450mm2,樁長(zhǎng)6.0m，樁身砼強(qiáng)度等級(jí)C20，1.0m設(shè)置一斷裂面 。圖5為1kg鐵錘激發(fā)，圖6為8磅鐵錘激發(fā)，該曲線基本形態(tài)為長(zhǎng)周期的正弦振蕩曲線，因小錘激勵(lì)的為斷面反射波與質(zhì)—彈系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)的疊加，而大錘所激勵(lì)的為（6）式的質(zhì)—彈系統(tǒng)共振，這表明小錘激發(fā)測(cè)淺部缺陷效果要比大錘好得多。
4 結(jié)論
根據(jù)大量工程樁的實(shí)測(cè)以及開挖驗(yàn)證的結(jié)果，基樁存在淺部嚴(yán)重缺陷時(shí)的實(shí)測(cè)曲線除滿足（7）式的基本特征外，還與錘的重量、錘頭的材料、碰擊時(shí)間、基樁的齡期、傳感器的安裝等有關(guān)，綜合其特征如下：
1.曲線基本形態(tài)為長(zhǎng)周期的正弦振蕩曲線，總體呈指數(shù)規(guī)律衰減。
2.敲擊之后，首先記錄到的首波的波幅較正常樁明顯大，甚至出現(xiàn)“陷幅”現(xiàn)象。
3.首波后往往疊加有淺部缺陷的多次反射波，小錘敲擊時(shí)更加明顯，而大錘敲擊時(shí)產(chǎn)生的缺陷反射波則不明顯。
4.當(dāng)缺陷為全部斷裂時(shí)，實(shí)測(cè)曲線往往表現(xiàn)為正弦振蕩信號(hào)；當(dāng)缺陷為局部斷裂或嚴(yán)重縮徑時(shí)，振蕩曲線上疊加有缺陷斷面的反射波。
當(dāng)基樁淺部存在嚴(yán)重缺陷，基樁樁頂受到瞬時(shí)激振時(shí)，其主要運(yùn)動(dòng)形式為缺陷以上樁體段的剛體阻尼振動(dòng)，而非一維波動(dòng)�？v然存在“盲區(qū)”現(xiàn)象，根據(jù)上述理論和實(shí)踐，樁身“盲區(qū)”內(nèi)存在嚴(yán)重缺陷時(shí)，仍是可以判斷的，樁基淺部缺陷的波動(dòng)特征分析還依賴于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其理論有待進(jìn)一步探討。
參 考 文 獻(xiàn)
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