基于单孔地震波法的地下室上浮桩基础损伤检测技术研究

沈士杰，卞德存，赵鸿彬，叶东昌

（广州市市政工程试验检测有限公司，广东 广州 530520）

0 引言

近年来，随着我国城市化建设的快速推进，地下空间的开发利用也在不断地向做大做深的方向发展，由此出现了大量带有地下室的建筑结构，且地下室规模和埋置深度也在不断增大[1]。然而，由于地下室结构的重量与该位置原来的土体重量相比要轻得多，在施工过程中如遇持续性强降雨，且上部结构荷载未完全施加，则极易导致地下室底板出现上浮隆起，梁、板、柱等构件及节点会因地板上浮产生压缩、剪切破坏，造成严重的工程质量事故，对地下室的正常使用产生较大的影响。

由于目前地下室上浮的结构损伤鉴定问题还缺乏系统研究，现行标准中对地下室上浮后的结构鉴定依然参照地上建筑物的鉴定方式开展，其重点是对梁板柱等结构构件强度、损伤情况进行检测记录，进而推断整体结构的安全状况，未充分考虑地下桩基础在底板上浮过程中出现桩身破坏或桩头与底板承台脱开的情况，从而产生对结构损伤程度的误判[2]。

单孔地震波法作为一种桩基无损检测方法，已广泛应用于既有桩基础的检测当中。在桩长检测领域，国内外学者通常利用Shell 射线理论建立单孔地震波桩长的计算公式，并根据测孔-桩间距、测孔倾斜度对计算方法进行修正[3]。对既有建（构）筑物基础检测与鉴定来说，准确评价桩身是否存在缺陷或损伤比桩长推测往往更加重要[4]。目前既有桩基缺陷识别方面鲜有相关的研究报道，仅少数学者在理论方面开展了一些初步探讨。

单孔地震波检测桩基完整性的理论研究多数建立在桩顶自由这一简化假定基础之上，这与既有桩基顶部与上部结构刚接的情况明显不符，另外计算采用的地层条件过于简单，未考虑土体刚度和波速沿深度变化的影响，理论成果的适用性尚未经过试验验证；同时，由于试验采用的模型桩尺寸普遍为缩尺模型，桩身完整性测试结果能否指导实际工程桩基完整性检测仍需开展深入研究。

本文结合工程案例，采用单孔地震波法对地下室桩基础结构进行检测分析，通过对比验证，实现对既有建筑物地下室桩基础结构完整性的检测，可为今后类似的工程情况提供参考。

1 工程概况

广东某建筑工程为一商业住宅综合体，共有1 栋1层高的社区服务站、1 栋1 层高的配电房、8 栋26 层高住宅及3 栋32 层高的住宅，设一层地下室。住宅采用框架结构及剪力墙结构体系。地基基础采用有抗拔要求的预应力管桩基础。由于近期雨水较多，长期强降雨使得施工现场地下水位上升，地下室底板也因为连续降雨无法及时覆土，导致位于两栋32 层高层住宅中间裙楼部分的地下室区域出现底板上浮现象，最大上浮量超过50mm。整个待检测区域的上浮量呈“倒锅底”现象，即两栋高层中间部位上浮量大而靠近边缘部位由于受外墙制约则上浮量较小。采取了底板开孔放水措施后，底板上浮变形有所恢复。底板上部混凝土柱端头出现压缩破坏。地下室混凝土柱损伤状况如图1 所示。

图1 地下室混凝土柱损伤状况

2 检测原理、设备及检测方案

2.1 检测原理

本次损伤检测所采用的单孔地震波法，是利用完整桩身、缺陷桩身及土层间的纵波传播速度上的差异来对桩长及桩身完整性进行检测和辨别的[5]。其检测原理如下：首先，在基桩的旁侧与基桩平行预埋一根测试管，测试管内灌满清水。其次，在基桩上部承台或立柱上进行敲击，利用测试管内的传感器接收敲击引起的弹性波。由于弹性波在桩中的传播速度比在桩周土中的传播速度快，致使测试管内的传感器最先接收到的必然是沿桩身向下传播的弹性波[6]。当传感器位于桩底以下时，弹性波在土体中的传播路径变长，会导致传感器接收到的初至波延后，形成一个初至时的斜率变化拐点。如果桩身存在严重缺陷，则会导致接收到初至波的时间延后[7]。通过观测测试管内传感器接收到初至波的时间变化，即可判断基桩是否存在缺陷。单孔地震波法检测原理如图2 所示。

图2 单孔地震波法检测原理

2.2 检测设备

在早期，国内外学者和工程师多采用三分量检波器（图3）开展单孔地震波现场测试试验。三分量检波器，可通过充气囊或弹簧片弹性固定于孔壁，通过拾取和分析孔中的地震波速度信号进行桩长判别。与上述测试设备不同，本次测试采用12 道水听器链（图4）代替单通道三份量传感器进行振动信号采集。水听器链检波器间距为1m，每次测试可获得12 个点位的地震波数据，并且采用水介质进行耦合，极大地提高了检测速度及锤击数据的一致性，并显著降低了传感器耦合状态对测试数据的影响。

图3 采用气囊耦合的三分量传感器

图4 CH3R 型高灵敏度多道水听器

数据采集设备采用DAQlink3 便携式地震仪（图5）。该设备具备12 通道，最小采样间隔20μs；设备采用以太网连接用于快速数据传输和远程数据存储，有锤击开关触发及时间触发等多种触发方式。

图5 DAQlink3 分布式地震仪

2.3 检测方案

测试对象为两跟单桩承台下的管桩基础A 桩、B桩，两桩尺寸、承台设计规格、施工方式、埋置深度均相同。其中A 桩为底板上浮外围区域桩基，A 桩上部混凝土柱未出现损伤，底板上浮量基本为零。B 桩为底板上浮最严重区域桩基础，B 桩顶部混凝土柱出现挤压崩坏，柱脚区域出现裂缝及涌水；由于底板上浮过程中，桩身最容易出现拉伸破坏的是桩头承台连接部位，此区域存在结构交界面，波形反射规律复杂，需要使用无损伤桩基（A 桩）作为对照。由于桩基础位于已建成的地下室底板下部，且地下室内部各类管线已安装完成，对钻机架设高度及钻杆更换方式要求较高（低净高特种钻机）。综合考虑检测施工成本及时效性，本次测试仅对A 管桩桩头部位进行数据采集，以作为对照参考。

3 检测数据分析

对每个水听器采集到的弹性波振动信号进行叠加，可获得振动波列图。图6 为A 桩基（无损伤对照桩）振动波列，图7 为B 桩基（待测桩）振动波列。A 桩底板以下2m 范围内（主要桩头与承台连接位置）的弹性波信号特征可用以辅助判断B 桩桩头损伤情况。

图6 A 桩基（无损伤对照桩）振动波列

图7 B 桩基（待测桩）振动波列

A 桩基测试范围为底板表面至下部2m 深度。在测试范围内，首至波信号清晰，无明显波幅衰减，底板表面至桩顶距离为0.75m，则推断A 桩桩头以下深度0～1.25m 的混凝土结构连续性较好，无明显缺陷，A 桩桩头与承台结合部位信号过渡平滑，无信号衰减或间断。

B 桩测试范围为底板表面至下部13m 深度。弹性波信号在深度约0.8m 处出现同相轴间断，0.8～2.6m 的首至波信号衰减严重，且深度2.6～13m 首至波信号较弱，波速较低（上部缺陷，导致振动能量传递受阻），初至时间规律性较好。由于底板表面至桩顶距离为0.75m，推测B 桩有缺陷存在于桩头往下深度0.05～1.85m，根据B 桩上部立柱柱脚渗水严重这一现象推断，B 桩极有可能在桩头部位出现拉伸破坏，桩头与承台连接出现断裂失效。

4 结语

在利用单孔地震波法的基础上，通过同条件、同尺寸完整桩基础测试结果对照，可以较为方便地实现地下室上浮后既有桩基础损伤检测，尤其是针对一些“桩-承台”交界面等波形规律不明确的区域，通过对照的方式，能较好地辅助判别桩基损伤情况，为既有桩基完整性检测提供了新的思路。