既有结构下基桩完整性检测的桩侧激振接收法

高飞

（1.上海中九工程检测有限公司，上海 200437；2.中国船舶工业第九设计研究院，上海 200063）

0 引言

国内众多建成时间较早的桥梁、码头等已逐渐迈向劣化阶段。同时，地震、台风、海水侵蚀等自然因素及交通运输工具的超载、交通流量的增加、盗采砂石所造成的非天然冲刷、船舶或漂浮物等的碰撞等，都会对桩基础造成损伤。另一方面，码头的使用功能改变或靠泊等级提高，桥梁的维修加固，房屋建筑或工业厂房的增层改造，建造过程中承台发生位移等诸多情况都需要对桩基础的现状作出评价。理论上讲，桩基础的现状检测应包括基桩的完整性、变形与承载能力、耐久性等。但是除非桩基础发生明显的变形与位移、基础冲刷等，否则一般只进行基桩的完整性检测。

反射波法经济、快捷、方便，是基桩完整性检测最为常用的手段。众所周知，常规的反射波法是在桩顶激振、在桩顶接收信号，但是对于既有结构基桩桩顶嵌固在桩帽或横梁、承台的情况显然已经不再适用。

目前，除了JTJ249—2001《港口工程桩基动力检测规程》以外，包括JGJ 106—2003《建筑基桩检测技术规范》、JTG/T F81-01—2004《公路工程基桩动测技术规程》、TB 10218—2008《铁路工程基桩检测技术规程》在内的诸多规范都没有提及桩顶嵌固时完整性检测方法。JTJ 249—2001《港口工程桩基动力检测规程》规定：上部有承台的桩的检测，可采用桩侧竖向激振或承台面桩内范围重锤竖向激振，并采用桩侧安装加速度传感器接收信号的方法进行[1]。但是内容略显粗浅，没有明确具体的实施细节，对于指导工程实践仍不充分。

采用承台面桩顶范围内激振，由于基桩上部存在桩帽、横梁及面板等上部结构，往往会导致应力波衰减太快而无法采集到正常反应桩身完整性质量的反射弹性波信号，因此一般采用桩侧竖向激振及桩侧安装加速度传感器接收信号的办法进行。

作者结合自己多年的研究和实践成果，详细介绍了桩侧激振接收法的基本原理、现场检测、信号分析等内容，可以为相关工程技术人员提供参考。

1 基本理论

所谓桩侧激振接收法，就是采用低能量瞬态激振方式在桩身侧面激振，实测桩身侧面的速度时程曲线，通过波动理论分析，对桩身完整性进行判定的检测方法。 其理论基础为一维弹性应力波理论，但是激振方式与传统的反射波法不同，是在桩侧竖向激振，同时，传感器不是安装在桩顶面，而是安装在桩身侧面。桩侧激振接收法与传统反射波法之比较如图1所示。

图1 桩侧激振接收法与传统反射波法之比较

通过在桩侧施加一纵向冲击力，使桩身产生应变，并以波动的形式传播，遇到桩身阻抗差异界面后，产生反射信号，为安装在激振源附近的传感器所接收、记录。根据现场采集的时域曲线进行时域和频域分析，以此判定桩的完整性。

与传统的反射波法不同的是，激振时除了产生下行压缩波外，同时还产生上行拉伸波。上行拉伸波遇到上部结构会发生发射，反射回来的信号又被传感器所接收，干扰对信号的识别。

2 现场检测

2.1 检测要求

对于码头工程的高桩承台，一般选择合适的潮位乘坐工作船进入码头下方；对于民用建筑、桥墩（或桥台）承台下基桩，桩顶侧面应裸露，否则应局部开挖。

2.2 激振方式

侧敲侧收法的激振方式，规范并没有明确。目前常用的5种做法：

方法一是在承台（或桩帽、横梁）与基桩连接节点以下约1.0 m的桩身侧面切两槽作为激振点（见图2），但该法现场工作量大，难度高，耗时长，对基桩有较大损伤。同时，该法激振力方向与桩轴线方向不平行，会产生附加的横向振动。

方法二是斜向钻孔，直接在桩顶下约0.5～1.0 m左右处植入与桩身刚度匹配的膨胀螺栓，要求膨胀螺栓为斜向安装，与桩身之间具有良好的耦合性。通过手锤敲击该膨胀螺栓来产生激振力。该方法对基桩基本没有损伤，但该法激振力方向同样与桩轴线方向不平行，会产生附加的横向振动。为了尽量减小横向振动的干扰，斜向钻孔与桩身纵向的夹角应小于20°。

图2 桩侧切槽做法示意图

方法三是荷兰TNO基桩诊断系统（TNO Foundation Pile Diagnostic System）推荐方法，采用桩侧水平向钻孔方法，用螺栓将一钢质块体（8 cm×8 cm×2 cm）紧紧地固定在桩身侧面，该法基本上不会产生横向振动，见图3。

图3 荷兰TNO公司推荐做法

方法四是美国PDI公司（Pile Dynamic Inc）推荐方法，采用桩侧水平向钻孔方法，用螺栓将锤击块紧紧地固定在桩身侧面，见图4。

图4 美国PDI公司推荐做法

方法五是东南大学苗永红等提出，该方法是在桩侧粘贴一半球形混凝土小楔块，要求小楔块强度尽量与桩身强度相同，以保证同种介质之间较好地传递能量[2]。

理论上讲，为了能够产生均匀的应力波向下传播，宜使用分布力，即以摩擦力的形式向下均匀地作用在基桩侧面。但经试验验证，两者效果并无多大区别。

2.3 传感器安装

侧敲侧收法的传感器安装方式，规范并没有明确。目前常用的3种方法：

方法一是在承台（或桩帽、横梁）与基桩连接节点以下约1.0 m的桩身侧面切槽，用来安装传感器，但该法现场工作量大，难度高，耗时长，对基桩有较大损伤。

方法二是采用专门生产的类似高应变检测用速度传感器，在桩身侧面用冲击钻打孔，用螺丝将传感器固定在桩身侧面。

方法三是采用高黏结强度的耦合剂。在安装传感器之前，应使用砂纸、便携式砂轮机等轻轻打磨桩侧，除去污泥、污垢等杂物，用耦合剂将传感器固定在干燥、平整的桩侧混凝土表面。

2.4 不同方法对比

结合众多实际工程经验，以及与业内兄弟单位的比对试验，激振方式采用方法二、传感器安装采用方法三的组合可能是最优方法。原因分析如下：

采用敲击膨胀螺栓的方法进行激振，与在桩身侧面切槽相比，可以获得较大的激振能量。当采用切槽的方法时，为了避免产生明显损伤，切槽面不宜过大，造成手锤敲击时的作业面小，很难获得较大的激振能量。当采用敲击膨胀螺栓的方法进行激振时，作业面大，可以获取较大的激振能量。在预估桩身缺陷较深时，甚至可以用普通的低应变手锤作为“锤垫”，再用重锤进行敲击。同时，采用敲击膨胀螺栓的方法进行激振，膨胀螺栓与桩身混凝土属于“直接耦合”，敲击时通过膨胀螺栓直接把能量传递至桩身混凝土。TNO推荐方法敲击的是钢质块体，要求在水平向钻一孔，属于“单点安装”；PDI推荐方法敲击的是锤击块，要求在水平向钻两孔，属于“两点安装”。可见，无论是TNO推荐方法亦或PDI推荐方法，都不是把敲击能量直接传递至桩身，无形中带来了附加干扰。当激振能量稍大时，东南大学方法中混凝土块与桩身混凝土两者之间的黏结强度很难满足要求。

至于传感器的安装方式，采用方法一会对桩身造成损伤，同时切槽位置一旦确定，很难变换传感器的安装位置；当采用方法二类似高应变的方法，很难保证传感器的安装质量，同时膨胀螺杆、紧固螺栓等会带来附加干扰。

3 信号分析

显而易见，与传统的反射波法相比，在桩侧激振与接收时应力波的传播较为复杂，造成信号分析与解释的困难。

当基桩与既有上部结构的连接节点密实时，鉴于上部结构的整体刚度远远大于一根基桩的刚度，可以理想化地将基桩上方与承台（或横梁、桩帽）连接处视作一固定端。上行拉伸波传播至承台（或横梁、桩帽）底部，反射为下行拉伸波后再传到传感器[3]。

当基桩与既有上部结构的连接结点完全损坏，比如遭受严重的撞击，则可以理想化地将基桩上方与承台（或横梁、桩帽）连接处视作一自由端。上行拉伸波传播至承台（或横梁、桩帽）底部，反射为下行压力波后再传到传感器。

当基桩与既有上部结构的连接结点松动，情况比较复杂，不能再简单地将基桩上方与承台（或横梁、桩帽）连接处视作一自由端或固定端，应视具体情况而定。

所幸的是，鉴于传感器安装点距离桩顶一般比较近，所以干扰信号只会影响桩身浅部缺陷的识别，而桩身浅部缺陷一般可以通过目视等直接方法检测。

侧向激振很难避免产生横向振动，接收信号的前端还掺杂了横向效应的干扰。一方面要求尽量减小激振力的水平分量，另一方面要求选择合适的传感器屏蔽横向信号。

4 工程实例

上海吴泾某造船码头位于黄浦江西侧，徐浦大桥上游，建成于1987年，欲改造成亲水景观平台。采用桩侧激振接收法对该码头90根基桩进行完整性检测，抽检比例约50%。动测仪为荷兰TNO基桩诊断系统，传感器为该系统配套的加速度计。通过比对试验，采用手锤敲击膨胀螺栓的方法来产生激振力，采用进口橡皮泥作为耦合剂。检测时加速度传感器接收点距离桩顶约0.5 m。

4-D受检基桩，桩型为预制方桩，截面500 mm×500 mm，桩长27.5 m。图5为该桩的反射波实测曲线，可见桩顶下约7.5 m处桩身存在明显缺陷，判定为Ⅲ类桩。

图5 4-D受检基桩实测曲线

5 结语

传统反射波法的激振接收方式对于既有结构下基桩的完整性检测不再适用。本文建议的采用敲击膨胀螺栓在桩侧进行激振，将传感器用耦合剂固定在桩侧面的检测方法，可以较好地进行既有结构下基桩的完整性检测。

[1] JTJ 249—2001，港口工程桩基动力检测规程[S].

[2] 苗永红，刘松玉，顾建祖.侧向激振下桩身完整性试验新方法探讨[J].世界地震工程，2009，25（4）：141-144.

[3]陈建荣，高飞.现代桩基工程试验与检测——新技术·新方法·新设备[M].上海：上海科学技术出版社，2011.