高应变法检测桩身完整性的分析

张高其

摘 要：高应变检测桩身完整性分析中，除按照桩身完整性系数判定类别外，如何结合实际经验来综合判定成为重点，并且也是难点。文章结合一些工程实例来对高应变法检测桩身完整性进行分析。重点分析多节预制桩接头水平焊接缝的完整性与桩周土软弱土层对桩身完整性的影响。

关键词：高应变法；桩身完整性；桩周土层反应

引言

在前期基桩的动力检测中，高应变法主要提供基桩的竖向抗压承载力，桩身完整性检测一般都作为附带的功能，低应变才是桩身完整性判别的主要手段。然而在一些特殊情况下，如工程中采用超长桩、预制多节桩等工艺，高应变法检测桩身完整性相对于低应变的优点就突显出来。随着时代的发展，这些超长桩、预制多节桩在工程中使用得也越来越广泛，在这些基础面前，低应变检测桩身完整性的方法就显得有些力所不及。在这基础之上，高应变检测桩身完整性的这一作用得以体现，甚至部分地区将高应变检测多节预制桩的桩身完整性列入了地区规程中。高应变检测桩身完整性的分析应注意以下几种情况：（1）一般桩身缺陷；（2）预制桩中的接头水平焊接缝；（3）桩侧土层反应的鉴别。

1 高应变法简介

高应变法，是指所有能使桩土间产生永久变形（或较大动位移）的动力检测基桩承载力的方法。常用的两种高应变动力试桩方法为CASE法和CAPWAP法。现场在桩顶下一定距离对称安装一对加速度计和应变计，通过重锤冲击桩头，产生沿桩身向下传播的应力波和一定的桩土位移，记录冲击波作用下的加速度和应变，传输至基桩动测仪并储存下来。然后采用不同软件分析计算得出基桩的承载力和质量完整性系数。CASE法由于分析时主要影响承载力的因素就一个CASE系数，可现场提交结果，因此称波动方程实时分析法；而拟合法因要进行大量拟合反演运算，只能编程计算，一般在室内进行，常用此方法为基桩提供竖向抗压承载力。

高应变完整性检测分析过程中，只需要CASE法分析就能得出桩身完整性的判别。（图1）

图1 高应变动力测试现场示意图

2 Case法检测基本原理

2.1 基本模型

基桩模型：case法将桩视为一维均质（等截面尤佳）连续的弹性体，基本上不考虑桩身缺陷影响，应变与质点速度之间满足协调方程。

桩周土动力模型：为排除动力试桩过程中土体的动力效应，case法假定土的动阻力全部集中于桩尖，且与桩尖速度和广义波阻抗（Z=ρCA）成正比。

桩周土静力模型：case法为确保波动方程解耦，得到半经验解析解，将桩侧速度与动阻力分离，同时将桩身位移与静阻力分离。假定土的静力模型为理想剛塑性体，一旦扰动发生，阻力即达到极限值。显然，这只能在桩土间超过一定变形时才适用。

2.2 计算方法与桩身完整性判定

（1）Case法承载力计算，文章略。

（2）桩身完整性系数β值计算

式中 β-桩身完整性系数；

t1-速度第一峰对应的时刻（ms）；

F（t1）-t1时刻的锤击力（kN）；

V（t1）-t1时刻的质点运动速度（m/s）；

Z-桩身截面力学阻抗（kN·s/m）；

tx-缺陷反射峰对应的时刻（ms）；

x-桩身缺陷至传感器安装点的距离（m）；

Rx-缺陷以上部位土阻力的估计值，等于缺陷反射波起始点的力与速度乘以桩身截面力学阻抗之差值，取值方法见图2。

（3）桩身缺陷位置x计算

（4）桩身完整性类别判定

等截面桩的桩身完整性判定：根据桩身完整性系数β值大小并结合经验，将桩身完整性类别分为四类。Ⅰ类：β=1.0；Ⅱ类：0.8≤β<1.0；Ⅲ类：0.6≤β<0.8；Ⅳ类：β<0.6。

3 高应变检测桩身完整性分析

3.1 一般桩身缺陷

正常情况下，高应变在检测桩身完整性的过程中，桩身缺陷的判定根据桩身完整性系数β值的大小来定量描述，并判定桩身完整性类别。完整性类别的判定与基本原理中描述的一致。唯一值得注意的是软件分析过程中β值的计算值，由于采集曲线信号时外界干扰的因素，曲线桩顶到2L/C时段反应桩身明显没有缺陷，但因桩顶前或2L/C时段后的曲线计算出β计算值并不为1.0，而是稍微小于1.0，如0.99、0.98，应结合曲线上没有缺陷反应判定为I类。

在桩顶到2L/C时段，除依据β值外，需要根据现场实际的情况来综合判断，究竟需要综合哪些要素呢？主要分为两类需要值得关注：一类是桩身结构自身的局限性，如预制桩中有焊接接缝；另一类是桩周土的影响，特别是存在明显的软弱夹层时所产生的假缺陷反射法。

3.2 预制桩中焊接接缝桩身完整性的分析

预制桩在施工过程中，由于焊接、锤击施工等因素，可能造成接头之间形成水平缝，可以通过多次的连续采样，来判断水平缝的发展情况。

（1）有明显施工焊缝反射波，桩身基本完整的情况

由于焊接原因造成的接头之间的施工焊缝，在桩身周围焊接牢固，在多次的锤击情况下，β值基本会维持在一个小范围内波动。速度力曲线和应力曲线相交的范围维持在一个特定的范围内，力和速度曲线可以向下传递。这种情况下桩身完整性如果依然按照β值的大小来判定，显然是不准确的。在能清晰看到桩底反射情况下，可认为对桩身承载力无影响，存在桩身接头缺陷，桩身基本完整。

如×××录安洲港区4号泊位的D-16#桩，型号为PHC-1000（130）-C80，桩长45米，打桩船为浙普工51型，锤型D138。由于沉桩过程中地质条件与勘探成果相差较大，无法沉桩到设计标高，故采用高应变法检测基桩竖向承载力。此桩共采集信号35锤，从图3中可以看出桩身传感器以下桩长19.5米位置第2击的β值为0.52，第10击β值为0.53，第20击β值为0.53，第35击β值为0.54。从锤开始到收锤结束，β值均是在0.52～0.54之间小幅度的波动，桩底承载力从曲线分离程度看也不小。因此认为此缺陷为预制桩焊接接头缺陷，且对桩身承载力无影响，可认为桩身基本完整。

（2）有明显施工焊缝，桩身结构已破坏

另一种施工过程中，预制桩桩身出现水平裂缝或接头脱落，也是通过多次锤击来判断，这时候β值会在连续的锤击过程中不断减小，速度力曲线和应力曲线相交的范围逐渐增大，甚至达到速度曲线尾端向上，这样情况说明桩身结构已受到破坏，可根据β值并参考有无桩底反射，判定桩身完整性类别。

如×××芜湖海螺水泥有限公司专用码头14-C#桩，型号为600×600预制方桩，桩长41米，打桩船柴油锤型D100。该桩因沉桩到位会贯入度突然增大，故采用高应变法检测基桩竖向承载力及桩身完整性。此桩共采集信号12锤，从图4中可以看出桩身传感器以下桩长31米位置第1击β值为0.59，第2击β值为0.45，第8击β值为0.41，第12击β值为0.37。从总共12击的锤击情况可以得出，β值从0.59下降到0.37，最后几击速度力（ZV（t））曲线基本上都上扬到应力F（t）曲线之上，桩底也无法分辨有无承载力。因此说明桩已严重破损。严重影响桩身承载力的发挥，按β值最后0.37判Ⅳ类桩，所出具基桩竖向极限承载力仅供参考。

3.3 桩周土层存在软弱夹层时桩身完整性分析

在高应变检测桩身完整性的分析过程中，还可能存在一种桩周软弱土层，尤其是上下土层土性差异明显，分界线明显的情况下，如风化岩层上的软流塑状态粘土或粉质粘土，会形成速度波上拉，应力波下拉的假桩身缺陷反射，严重影响对桩身完整性的判断，这时候需要认真地阅读地质勘探报告，认真分析在桩身该位置有无软弱夹层的可能。预制桩施工的时候，在可能存在软弱夹层影响时，应对怀疑的基桩进行复打，等有足够的土阻力恢复龄期后复测看是否缺陷指示程度有所变好，从而正确的对桩身完整性进行判别。

如×××郑浦港一期工程，桩型为PHC-1000（130）-C80，桩长39米，打桩船采用D125柴油锤，两根基桩施工参数及检测情况如表1。

基桩所对应钻孔地质情况如图5所示。

其中⑤层为中密粉砂夹薄层粉土，N=27击；⑥层为冲积淤泥质粉质粘土夹粉砂、薄层，N=4，呈软～流塑状态，基桩所在位置层厚约1.80m；⑦层为密实粉砂，N=32～57击，为桩端持力层。

两根桩在沉桩当天测试过程中，由于锤击对桩周土⑥层扰动破坏严重，导致高应变测试采集的信号中在桩身传感器以下30.5米左右，即桩底以上5.5米左右，出现假桩身缺陷反射（如图6）。根据地质资料显示，此位置正处于第⑥层软弱土层中，且该层上下土层力学性质均非常好，形成桩周土性的突变。故怀疑此处的缺陷反射为桩周软土的反映，等待桩周土有一定恢复时基桩复打进行验证。

三天后基桩复打测试的结果表明，桩周土⑥层经过振动破坏后土性重组，土阻力得到了较大的提高，再次錘击测试所获得的曲线上已无明显的缺陷反射波，所测基桩的桩身完整。验证了初打时的缺陷反射应为桩周软弱土层的反射波，同时也说明桩周软弱土层的反射波对桩身完整性判别有较大的干扰。在桩身完整性的分析过程中，当所测多根基桩在同一位置上有相同的缺陷反射波时，应对提供的地质资料和施工记录进行综合的考虑，着重关注桩周土中是否有软弱夹层等情况。

4 结束语

低应变法简单快捷且易用廉价，在其能够胜任的范围内优先采用低应变法测试，因此高应变法检测桩身完整性的应用范围受到限制。正是因为这样的限制，高应变法检测桩身完整性的应用中，基桩的自身结构都比较复杂，一般都是超长桩或多节预制桩，抑或是基桩桩身有不明缺陷需要用高应变法进行完整性或承载力校核。

高应变法分析桩身完整性具有其自身无可替代的优点，由于其应用的场合一般都具有复杂性，因此对基桩完整性判定过程也相对困难。这就要求在高应变法分析桩身完整性的过程中，除了对桩身完整性系数和缺陷所反应的曲线形态熟练掌握外，还需要分析基桩自身结构构成、施工工艺及过程、基桩所对应位置的地层资料，正确识别出是否有桩周软弱土层反应影响对桩身完整性的判断，必要时采用多次锤击看缺陷发展情况进一步确定桩身完整性。

参考文献

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