2000年桩基工程检测的若干问题及建议

1桩基工程检测的若干问题及建议中国建筑科学研究院地基基础研究所李大展1.概述随着我国城乡建设事业的迅速发展,桩基工程越来越多,因而桩基工程检测技术也就成为工程界的一个热门而得到广泛重视。特别是近十年来，在各级主管部门的指导和支持下，广大检测人员的努力下，在社会主义市场经济体制下，积极探索，勇于实践，检测领域取得了长足的发展。而且随着工程经验的不断积累，使得检测技术更加趋于成熟和先进。目前我国从事桩基工程检测的单位有700家以上，从事桩基检测仪器制造的单位有10余家，动测仪器的软件、硬件水平已经接近或达到国际先进水平。1994年开始，在建设部的领导下，国家建筑工程质量监督检验中心和有关省市建设行政主管部门共同努力下，较好地完成了3批工程桩动测单位资质考核工作。与此同时，有关桩基工程检测的标准、规范相继发布、施行，使桩基检测技术标准初步建立了完整的体系，从而有力地促进了检测工作的规范化，提高了桩基检测工作的质量，大大地缩短了工程周期，为国家节省了基建投资，并对保证工程质量起到了良好的作用。桩基工程检测可分为成孔检测和成桩后检测两大部份。2.成孔检测技术2.1孔径检测一般采用铁环法或井径仪（伞形检测器）测定。井径仪由测头、升降机构和记录仪器三部分组成，最大检测孔径可达1.20m。测头为伞形机械式,放入测孔前,四条测腿呈合拢状,用弹簧锁住。测头放入孔底后,靠其自重将测腿张开。向上提升测头时，由于弹簧的作用，测腿端部紧贴孔壁，从而引起测头体内滑动电阻值的变化，转变为电压信号并经放大后与孔径建立对应关系，就可2测出孔壁形状。当电流恒定时，电压与孔径的关系为：φ＝φ0＋kΔＶ/Ｉ(式2.1)式中φ--被测孔径(m);φ0--起始孔径(m);k--率定系数(m/Ω);ΔＶ--电压变化(V);Ｉ--电流(I)。2.2垂直度检测一般只能采用开挖后实际量测的方法。必要时也可采用测斜仪量测，测斜仪主要有四部分组成，即测头、接收指示器、连接电缆和测斜导管。2.2.1测头目前多采用伺服加速度计式,在测头内的感应轴上互成90°安装两个加速度计。可测的最大倾角为±53°,而在±7°内精度较高。2.2.2接收指示器采用伺服加速度计式用数字显示仪表,读数为2.5×sinθ,θ为导管倾角。对于30°的倾角sinθ=0.5,则读数为2.5×0.5=1.25,此即为仪器的基准因素。由于轮距为0.5m,所以读数除以5即为以米计的位移量。2.2.3电缆采用有距离标记的电缆线,并在测头重量的作用下,不应有伸长的现象发生。2.2.4导管测斜管有铝合金管和塑料管两种,有四个纵向导槽均布于管内,导管的性能是影响精度的主要因素。其测量的基本原理为：将导管划分为几段，每个区间的变位为δi,接收指示器读数代表导管的倾角θi,则:δi=li·sinθi(式2.2.4-1)3整个管子的水平位移值即为:nδn=Σli·sinθi(式2.2.4-2)i=12.3孔底沉渣检测2.3.1垂球法垂球法是目前工地常用的方法。主要凭测试人员的手感来判断沉渣顶面位置，其钻孔深度与量测孔深之差即为沉渣厚度。2.3.2电容法孔底沉渣检测仪电容法孔底沉渣测定原理是当金属两极板间距和尺寸不变时,其电容量与介质的电解率成正比关系。水、泥浆、沉渣等介质的电解率有较明显的差异,由此区分出沉渣厚度。检测仪由测头、电缆和指示器组成。测头内装有电容极板和小型电机,电机带动一个偏心轮可以作水平振动。当测头接触到沉渣表面时，指示器内蜂鸣器响起，红灯发亮。如测头自重难以沉入沉渣底部时，可开启电机使测头产生振动，以沉入底部。3.成桩检测技术3.1桩身结构完整性检测3.1.1钻孔取芯法钻孔取芯法不适用于直径过小的桩，因为钻孔时垂直度的偏差，会使钻头偏出桩外。钻头宜采用人造金刚石薄壁钻头，钻孔时应避开钢筋部位，取芯应能反映桩底沉渣情况。当出现下列情况之一时，宜判定桩身质量不合格：1)混凝土芯样疏松、夹泥或断层;2)桩身混凝土强度低于设计混凝土强度等级；3)桩长或桩底沉渣厚度不满足设计要求;4)桩的持力层未达到设计要求。3.1.2声波透射法声波在混凝土中传播,当遇到有缺陷时,声波将发生衰减,波速4和振幅也会减小,并有可能引起波形的畸变。根据这个原理，可用声波透射法来检验桩身结构完整性。检测前应在桩内预埋测管，一般为二根，分别放入发射和接收探头，均速提升或下降探头，即可进行检测。检测结果常采用ＰＳＤ判别法，其计算式如下：（ｔci-ｔci-1）2ＰＳＤ＝──────────（式3.1.2）Ｚi-Ｚi-1式中ｔci－第i测点的声时;ｔci-1－第i-1测点的声时;Ｚi－第i测点的深度;Ｚi-1－第i-1测点的深度。ＰＳＤ法能在声时-深度曲线上明显地反映缺陷的位置和性质。工程实践表明，波幅值是判断缺陷与裂缝的重要指标。因为波幅值的大小与仪器设备所处的状态、耦合状况以及测距等因素有关，所以只能作为同条件下相对比较，使用波幅值为判据时应注意下列各点。1)发射电压不变;2)检测中,收、发换能器不变;3)各测点收、发换能器间测距不变,换能器应加扶正器保证耦合一致性;4)使用仪器不变。3.1.3低应变动力检测3.1.3.1动力参数法该法分频率法及频率-初速法。现将频率-初速法简要介绍如下：将桩作为单自由度的质量－弹簧体系，众所周知，质量－弹簧体系的弹簧刚度Ｋ与频率ｆ间的关系为(2πf)2ＱＫ＝─────(式3.1.3.1-1)ｇ此式中重量Ｑ应包括桩的折算重量Ｑ1及参加振动的土体重量Ｑ2,即Ｑ=Ｑ1+Ｑ2。桩土体系的动刚度Ｋd（相当于弹簧刚度）可改写为:5(2πfv)2(Ｑ1+Ｑ2)Ｋd＝────────＝(2πfv)2m(式3.1.3.1-2)ｇＱ1+Ｑ2式中m＝─────为参加振动的桩和土的折算质量；ｇfv－桩土体系实测固有频率。如果Ｑ1、Ｑ2先按桩和土的原始数据算出,就只需实测桩基频率，称为频率法。如果能将桩基频率和初速度同时测出，称为频率－初速度法，其单桩竖向承载力标准值的推算值为f2v(1+e)Ｗ0√HＲk＝─────────Ｋv(式3.1.3.1-3)Ｋｖ0式中Ｒk－单桩竖向承载力标准值的推算值（ｋＮ）；fv－桩土体系的固有频率（Ｈｚ）；e－碰撞系数；Ｗ0－穿心锤质量（ｔ）；H－落距（ｍ）；ｖ0－桩头振动初速度（ｍ/ｓ）;Ｋv－动静对比系数;Ｋ－安全系数。3.1.3.2水电效应法该法利用海洋石油勘探技术中的水电效应作为振源,即在水中瞬间释放大电流的效应,对桩施加冲击荷载。其试验装置包括产生瞬态冲击荷载的激振装置、水声法接收信号的测量装置和信号数据处理装置。数据处理结果可得到时域波形或频域波形,该法认为完整桩的时域波形是一条指数衰减曲线,断裂桩的时域波形很不规律,桩直径的变形也会使波形畸变；完整桩的频域波形呈单峰形状，断裂桩则呈多峰形状。6并提出用瞬态激励脉冲响应推算单桩极限承载力的公式如下：Ｐu＝αiＡσ(式3.1.3.2)式中Ｐu－单桩极限承载力推算值（ｋＮ）αi－换算系数；Ａ－桩的实际截面积（ｍ2）;σ－与脉冲相应有关的压强（ｋＰa）。3.1.3.3机械阻抗法机械阻抗法可分为稳态法和瞬态法两种。稳态法试验时在桩顶中心安装一个电磁式简谐激振器,由力传感器实测其激振力;同时在桩顶放置加速度计测试桩顶振动速度信号。测试时先在某一频率下由激振器在桩顶施加一个谐振荷载（Ｆ0），同时由加速度传感器接收振动信号，经放大、积分后得到相应的桩顶振动速度（Ｖ0）；使激振力的频率从20～1200ＨZ变化,而力幅值保持恒定,即可得到速度导纳（Ｖ/Ｆ）随频率（ｆ）变化曲线。根据导纳曲线的各项特征参数来评估桩的完整性或推算承载力。瞬态法试验时用装有力传感器的手锤敲击桩顶，给桩一脉冲力，通过安装在桩顶的加速度传感器量测响应信号，对信号作传递函数分析后得到导纳曲线，从而判断桩的完整性。根据桩的导纳曲线可计算出下列参数：(1)桩的测量长度ｃ0Lm＝───(式3.1.3.3-1)2Δｆ式中Ｌm－测量桩长；ｃ0－整个工地上完好桩（桩长为已知）波速的平均值；Δｆ－相邻两阶频率之差。(2)导纳的几何平均值（测量值）＿＿Ｎm＝√ＰＱ(式3.1.3.3-2)式中Ｐ－导纳曲线的极大值（峰值）；Ｑ－导纳曲线的极小值（谷值）。7(3)导纳的理论值1Ｎi＝───(式3.1.3.3-3)ρｃ0Ａ式中ρ－桩材料质量密度；Ａ－桩的横截面积。(4)桩的动刚度2πｆMＫd＝──────(式3.1.3.3-4)│V/F│M式中ｆM、│V/F│M－为曲线初始端准直线部分任一点的频率和导纳值。(5)计算波速ｃ0＝2ＬΔｆ(式3.1.3.3-5)计算出上列各参数后，再根据导纳曲线的形状即可对桩的结构完整性进行分析。(6)单桩竖向承载力的推算值Ｒ可用下式计算：ＫdＲ＝〔Ｓ〕───(式3.1.3.3-6)η式中Ｋd－单桩的动刚度（kN/mm）;η－桩的动静刚度测试对比系数，宜为0.9～2.0;〔Ｓ〕－单桩的容许沉降值（mm）。3.1.3.4应力波反射法在诸多的低应变检测法中,应力波反射法近年来已在国内外成为检测桩身结构完整性的首选方法。该法的基本原理为假定桩为一维弹性杆,当桩顶作用一脉冲力后,产生应力波沿着桩身向下传播,当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接收放大、滤波和数据处理，以判断桩身结构完整性。假如检测时采用装有力传感器的手锤敲击桩顶，也可以测得的力8波形作为桩顶边界条件，用波形拟合法进行桩身结构完整性判断。3.2桩的承载力检测3.2.1桩的静载荷试验根据我国《建筑桩基技术规范》JGJ94-94等有关规范规定,工程桩承载力检测应按建筑桩基等级和施工前是否做过静载荷试验,来决定采用静载荷试验或可靠的动测法进行,其关系可用框图表示如图1。9单桩承载力检测根据建筑桩基等级和施工前是否做过静载荷试验分类───────────────1.一级,未做;1.一级,已做;2.二级,未做且地质条件复2.二级,已做;杂;3.二级,未做但属于右边3.二级,未做且桩的施工质2～5项规定之外者;量可靠性低;4.三级;4.二级,未做且确定单桩竖5.静载荷试验的辅助检测。向承载力的可靠性低;5.二级,未做且桩数多。─────────────────采用采用静载荷试验可靠的动测法─────────────────图1承载力检测分类框图桩的静载试验目前虽仍被国内外公认为评价桩承载力最直观、可靠的方法，但众所周知，由于测试仪表的精度（千斤顶）、试验方法的限制（加载增量）、分析方法的差异和工程判断的能力等因素，其测试的误差也能达到10％。因此,如何改进静载试验测试、分析方法，提高静载试验本身的可靠性，长期来是工程界所关心的课题。认识到静载试验在桩基检测中的重要地位，即对于确定单桩极限承载力，在可能条件下应首先考虑采用静载试验方法。为此对静载试验的研究，包括10新试验方法的开发，试验设备的改进和