3樁的動(dòng)測實(shí)驗(yàn)技術(shù)

樁身完整性檢測動(dòng)測技術(shù)發(fā)展史概述概述樁基檢測的目的：①為樁基的設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)（試樁）②檢驗(yàn)工程樁的施工質(zhì)量，是否滿足設(shè)計(jì)或建筑物對樁基承載力的要求（對工程樁抽樣檢測）基本要求：①樁的平面位置與幾何尺寸；②樁的完整性與承載能力。單樁承載力檢測內(nèi)容：樁的垂直承載力、水平承載力、抗拔承載力。單樁完整性檢測參數(shù)：樁身鋼筋混凝土波速、密實(shí)度。樁身界面尺寸變化，樁身缺陷位置、缺陷形式、缺陷程度，推算樁長及估算鋼筋混凝土強(qiáng)度等級等。檢測技術(shù)方法：靜載試驗(yàn)動(dòng)測試驗(yàn)動(dòng)測技術(shù)發(fā)展史

樁的動(dòng)測試驗(yàn)方法在國外已有100多年的歷史，最早的動(dòng)測方法就是在能量守恒定律的基礎(chǔ)上，利用牛頓撞擊定律，根據(jù)打樁時(shí)測得的貫入度來推算樁的極限承載力。

近代的動(dòng)測技術(shù)是以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。1931年伊薩克斯首先提出，樁頂受到樁錘擊后，沖擊能量是以波動(dòng)形式傳至樁底，因此可用一維波動(dòng)方程來描述，但其解過于復(fù)雜，只能用于極簡單的邊界條件，因此難以進(jìn)入實(shí)用階段。1938年?？怂棺髁撕芏嗪喕俣ê?，對打樁過程進(jìn)行粗略分析，得出用于打樁分析的波動(dòng)方程解答。1960年史密斯對打樁中貫入性狀進(jìn)行了分析，并討論了樁錘，樁墊，樁帽，樁墊以及樁和土的模擬問題，定義了模擬中所涉及的全部參數(shù)，并從各種不同的應(yīng)用波動(dòng)方程的打樁實(shí)例中，提出這些參數(shù)的建議值，從而使波動(dòng)方程分析法開始進(jìn)入實(shí)用階段。此后，國外許多學(xué)者在計(jì)算機(jī)編程，參數(shù)確定，可靠性研究以及波動(dòng)方程法的實(shí)例應(yīng)用等方面做了大量的工作。動(dòng)測技術(shù)發(fā)展史

20世紀(jì)70年代以來，以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的樁的動(dòng)測技術(shù)在美國和歐洲又有了新的發(fā)展。在計(jì)算程序上，出現(xiàn)了采用連續(xù)模型及特征線法的CAPWAP/C程序。在測試技術(shù)上也作了進(jìn)一步的改進(jìn)，并研制了新的樁基動(dòng)測設(shè)備。

我國的動(dòng)測樁技術(shù)起始于20世紀(jì)70年代末。1972年湖南大學(xué)的周光龍教授提出了“樁基參數(shù)動(dòng)測法”，對開創(chuàng)我國樁的動(dòng)測方法研究起來積極的推動(dòng)作用。湖南大學(xué)振動(dòng)研究室與四川省成都市城市建設(shè)研究所研制的“機(jī)械阻抗法”，也通過部級鑒定并獲得應(yīng)用。西安公路研究所和中國科學(xué)院電工研究所共同研究成功的“水電效應(yīng)法”也在1985年通過了部級鑒定。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，中國建筑科技研究院地基所等單位吸取了國內(nèi)外動(dòng)測樁先進(jìn)技術(shù)，在動(dòng)測樁方法技術(shù)上開展了多方面的研究，為我國樁基動(dòng)測技術(shù)作出了重要貢獻(xiàn)。樁身完整性檢測樁身完整性檢測

1.應(yīng)力波反射法4.水電效應(yīng)法2.機(jī)械阻抗法3.共振法應(yīng)力波反射法由于地質(zhì)，施工，技術(shù)等種種原因，部分樁存在著斷裂，緊縮，離析，夾泥，沉渣等嚴(yán)重影響樁基承載能力的缺陷。因此需要采取恰當(dāng)?shù)姆椒ǔ闃訖z查工程的施工質(zhì)量，防止事故的發(fā)生。應(yīng)力波反射法目前國內(nèi)采用的動(dòng)測樁完整性方法有：反應(yīng)波反射法、水電效應(yīng)法、機(jī)械阻抗法、動(dòng)力參數(shù)法、錘擊貫入法、共振法等，檢測樁身質(zhì)量的還有采用聲波測井等物探超聲技術(shù)。各種方法在工程中得到應(yīng)用，并能夠找到被工程驗(yàn)證的實(shí)例。1.應(yīng)力波反射法的理論依據(jù)目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的當(dāng)屬應(yīng)力波反射法，基本原理是借助于一維桿波動(dòng)理論，將樁等價(jià)于一維桿，假定樁材料是均質(zhì)各向同性的，并遵循胡克定律，樁的橫截面保持為平面，而且每個(gè)截面上的應(yīng)力是均勻分布的，由于樁聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周邊土聲阻抗，所以不考慮樁周土的約束。一維波方程為：這里，表明波在樁身中以速度C傳播，這個(gè)速度就是樁身內(nèi)的縱波速度。應(yīng)力波反射法2.應(yīng)力波反射法檢測技術(shù)1）應(yīng)力波反射法系低應(yīng)變檢測方法，現(xiàn)場檢測示意圖如下圖：2）本方法適用于檢測混凝土樁的樁身完整性，判定樁身完整性類別及缺陷位置3）受檢樁樁身混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，且不應(yīng)小于15MPa。受檢樁的樁長L與樁徑或截面邊長d的比不宜大于50，且樁長不宜大于50m。超過有效檢測范圍時(shí)，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定該方法的適用性。4)檢測設(shè)備由傳感器、信號(hào)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、記錄、處理、監(jiān)視系統(tǒng)以及激振設(shè)備和專用附件組成。應(yīng)力波反射法5）現(xiàn)場檢測前應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的準(zhǔn)備工作。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇合適的激振設(shè)備與傳感器。每次檢測前應(yīng)確保整個(gè)測試系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。樁頭處理應(yīng)滿足以下要求：樁頂易設(shè)計(jì)標(biāo)高。應(yīng)鑿去浮漿及破損部分，露出新鮮密實(shí)的混凝土，平整樁頭。樁頭外露鋼筋不應(yīng)影響檢測工作的正常進(jìn)行。當(dāng)樁頭與樁側(cè)混凝土墊層相連時(shí)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，排除墊層的干擾。6）根據(jù)樁徑大小，受檢樁宜布置二~四個(gè)檢測點(diǎn)，每個(gè)檢測點(diǎn)記錄有效信號(hào)數(shù)不宜少于三個(gè)。應(yīng)力波反射法7）現(xiàn)場測試技術(shù)要求：（1）安裝傳感器應(yīng)根據(jù)激振和傳感器布點(diǎn)的要求，在樁頂分別剔出大小相宜且與樁縱軸垂直的平面作為傳感器安裝點(diǎn)；安裝傳感器位置應(yīng)清理干凈，傳感器安裝位置宜在離樁中心2/3半徑附近，且距離樁的主筋不宜小于50mm。對空心樁，傳感器安裝點(diǎn)、激振點(diǎn)與樁中心連線的夾角宜反復(fù)試驗(yàn)后合理選擇。（2)實(shí)心樁的激振點(diǎn)位置宜選擇在樁中心附近，管樁或其他空心樁激振點(diǎn)與傳感器安裝點(diǎn)之間的相對位置易反復(fù)試驗(yàn)后合理選擇；激振力方向應(yīng)垂直樁截面。（3）測試時(shí)應(yīng)進(jìn)行激振力方式和接收條件的選擇試驗(yàn)，確定最佳激振方式和接收條件。應(yīng)力波反射法8)判定樁身完整性時(shí)，可以分為四類Ⅰ類：測試信號(hào)有合理的樁底反射信號(hào)；樁底反射信號(hào)基本合理：實(shí)測波速在合理的范圍內(nèi)。Ⅱ類：測試信號(hào)中樁身缺陷反射波幅值相對較弱；樁底反射信號(hào)基本合理；實(shí)測波速在合理的范圍內(nèi)。Ⅲ類：測試信號(hào)中依反射信號(hào)和提供樁長計(jì)算的波速明顯偏離同類完整樁平均波速的15%以上；無合理的樁底反射信號(hào)。Ⅳ類：測試信號(hào)中未見樁底反射，并出現(xiàn)多次幅值較強(qiáng)的同相，等間距反射信號(hào)或測試信號(hào)未見樁底反射，幅值明顯增強(qiáng)并以大低頻形式出現(xiàn)。應(yīng)力波反射法9）樁頭疏松或樁身有淺部缺陷時(shí)，可在處理掉樁頭疏松層或淺部缺陷后，重新檢測并評定其完整性類別，并在報(bào)告中注明。10）對于夯擴(kuò)樁，人工挖樁，鉆孔擴(kuò)底樁，應(yīng)考慮樁截面變化和護(hù)壁變化對測試信號(hào)的影響，綜合分析波形，確定所檢測樁的完整性類別。11）出現(xiàn)下列情況之一，樁身完整性判定宜結(jié)合其他檢測方法進(jìn)行：實(shí)測信號(hào)復(fù)雜，無規(guī)律，無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)。對同一批樁，由樁長估算波速或由波速估算樁長，其估算值出現(xiàn)異常，且缺乏相關(guān)資料論證。設(shè)計(jì)樁身截面漸變或多變，且變化幅度較大的混凝土灌注樁。嵌巖端承型樁雖有明顯的樁底反射，但反射波卻與入射波相位相同。應(yīng)力波反射法樁身典型缺陷與波形特征分析樁身缺陷可概括為：斷裂（錯(cuò)位）、裂縫（裂紋、接縫、澆灌界面）、離析（松散、蜂窩、空洞）、縮頸、擴(kuò)縮頸、夾泥、沉渣及浮漿等八大類。七根模型樁如下，分別是：完整樁、擴(kuò)頸樁、擴(kuò)縮頸樁、縮頸樁、離析蜂窩樁、空洞擴(kuò)底樁及縮頸裂縫樁。如下圖所示：應(yīng)力波反射法動(dòng)測樁身完整性的幾個(gè)問題1）樁身質(zhì)量與樁身完整性樁身質(zhì)量需三種：①樁身材料的均勻性②混凝土強(qiáng)度等級③單樁軸向抗壓、抗拉承載力及抗彎、抗剪的強(qiáng)度。樁身完整性需三種：①樁身材料的均勻性②彈性波縱波波速③樁身有無缺陷（缺陷位置、形式、程度）2）反射波檢測樁身完整性針對不同的問題，應(yīng)該應(yīng)用不同的理論作為其理論依據(jù)，如振動(dòng)理論、反復(fù)反射理論等。樁身完整性檢測3）彈性波傳播速度與樁身混凝土強(qiáng)度的關(guān)系4）Ⅲ類樁的鑒別與判定四個(gè)判別因子：①波的能量衰減因子②反射波強(qiáng)度因子③波速比④樁周邊土對波的耗散因子5）樁身完整性的綜合評定應(yīng)力波反射法機(jī)械抗阻法1.機(jī)械阻抗法是通過測試施加給樁的激勵(lì)（輸入）函數(shù)和樁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)函數(shù)來識(shí)別樁的動(dòng)態(tài)特征。通過對樁的動(dòng)態(tài)特征性的分析計(jì)算，即可判定樁身混凝土的澆注質(zhì)量，殘陷的類型及其在樁身中出現(xiàn)的位置。同時(shí)還可以估計(jì)樁的承載力。我們把一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的機(jī)械阻抗定義為：作用力與由此而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)之比機(jī)械抗阻的倒數(shù)即為機(jī)械導(dǎo)納機(jī)械抗阻法測量出導(dǎo)納曲線兩個(gè)諧振峰之間的頻差即可由下式計(jì)算樁長：2.測試方法：1）穩(wěn)態(tài)激振法穩(wěn)態(tài)激振法的優(yōu)點(diǎn)是能量集中，試驗(yàn)精度高，可以在現(xiàn)場試驗(yàn)的過程中直接得到樁的導(dǎo)納特征曲線。缺點(diǎn)是設(shè)備較為笨拙，攜帶不方便。機(jī)械抗阻法2）瞬態(tài)激振法瞬態(tài)激振法與穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的原理是完全相同的，它也是測量樁的機(jī)械導(dǎo)納，描繪出隨頻率變化的導(dǎo)納曲線，通過對導(dǎo)線的識(shí)別和分析來評估樁的完整性和承載能力。由于其設(shè)備比較簡單，故應(yīng)用較廣泛。機(jī)械抗阻法3.測試結(jié)果的計(jì)算分析機(jī)械抗阻法1）根據(jù)△f計(jì)算出的樁長Lm比實(shí)際的長度L小很多或測不出△f。此時(shí)樁身可能出現(xiàn)斷裂，鼓肚或嚴(yán)重離析。這是由于樁身有大的缺陷和斷裂時(shí)，波動(dòng)的傳播只在樁的中斷處以上的長度范圍之內(nèi)。這樣，就使測出的Lm值較短，而該值即為缺陷距離樁頂?shù)奈恢?。機(jī)械抗阻法2）導(dǎo)納的幾何平均值Nm大于理論值Nt和同一工地各樁的平均值很多。3）波在混凝土中的傳播速度c0<3500m/s。4）樁的動(dòng)剛度Kd小于同一工地各樁的平均值很多。5）樁的導(dǎo)納曲線與正常圓柱樁的典型曲線有較大的出入。6）樁的導(dǎo)納曲線各峰值有較大的差異而期間的△f又有較大的差異。上述的各種情況往往是伴隨出現(xiàn)的，因而在判別樁可能出現(xiàn)的缺陷類型時(shí)，必須進(jìn)行綜合分析，結(jié)合在多次測試中積累的經(jīng)驗(yàn)和鉆探施工記錄進(jìn)行驗(yàn)證，方能做出符合實(shí)際情況的正確結(jié)論。機(jī)械抗阻法工程實(shí)例分析圖（a),(b)是陜西寶雞坪頭渭河大橋1號(hào)墩上、下游兩樁的導(dǎo)納曲線。試通過圖形進(jìn)行對樁進(jìn)行分析？（a)中：d=1.5，Nm=0.53，L=17.75，Nt=0.5，Kd=746.1，Lm=17，c0=4733（b)中：d=1.5，Nm=2.24，L=15.4，Nt=0.5，Kd=209，Lm=11.8，c0=4733機(jī)械抗阻法共振法1.定義：共振法試樁、是用強(qiáng)迫振動(dòng)方法使樁產(chǎn)個(gè)共振，并根據(jù)測得的共振頻率特性曲線來判斷樁的質(zhì)量、缺陷位置以及垂直和水平容許承載力等。2.共振法檢驗(yàn)樁質(zhì)量的基本原理1）L即為完整樁的樁長或缺陷離樁頂?shù)木嚯x。2）檢驗(yàn)方法：①求出樁的動(dòng)剛度Kd。若某樁的動(dòng)剛度顯著小于同一場地各樁Kd的平均值。則可判斷改樁存在質(zhì)量問題，或段樁，樁身有頸縮、或混凝土質(zhì)量低劣。②平均運(yùn)動(dòng)速度N的大小來判斷樁的質(zhì)量。若某樁的N值顯著小于同一場地各樁的平均值。則可判斷改樁存在質(zhì)量問題共振法3.測試方法實(shí)驗(yàn)設(shè)備共振法共振法4.計(jì)算公式：1）有承臺(tái)時(shí)，根據(jù)速度的幅頻曲線得無阻尼共振頻率fn。按下式求得動(dòng)剛度：2）有承臺(tái)時(shí)，根據(jù)位移的幅頻曲線得無阻尼共振頻率fm。按下式求得動(dòng)剛度：3）無承臺(tái)時(shí)，根據(jù)速度幅頻曲線的低頻段上任意點(diǎn)得動(dòng)剛度：（5-18）（5-19）共振法5.實(shí)例：共振法1）水電效應(yīng)法是由波動(dòng)理論、檢測聲學(xué)、大電流脈沖放電和信號(hào)處理等技術(shù)相互滲透而成的新技術(shù)，其基本原理是樁質(zhì)量可由瞬態(tài)激勵(lì)所得的頻響函數(shù)來識(shí)別，用此可檢驗(yàn)大直徑長樁和群樁的結(jié)構(gòu)完整性、缺陷位置、混凝土優(yōu)劣及承載力。2)水電效應(yīng)法的測試系統(tǒng)整體上來講由激振裝置、信號(hào)接收、記錄裝置及信息處理裝置等三大部分組成。3）方法：①震源是采用脈沖高壓放電，放電電極釋放出來的電能，使電極附近的水迅速升溫，汽化，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力波，使水電效應(yīng)在樁頭產(chǎn)生很高的脈沖力。水電效應(yīng)法水電效應(yīng)法

②信號(hào)的接收和記錄系統(tǒng)該系統(tǒng)包括加速度傳感器、磁帶記錄儀等組成。傳感器距樁頂5-10cm,放電電極距樁頂30cm,兩者之間的水平距離也要在10cm左右。由加速度傳感器接收測試信號(hào),隨之輸入到磁帶記錄儀,從而完成信號(hào)記錄和儲(chǔ)存。③信號(hào)分析處理系統(tǒng)將記錄在磁帶中的信號(hào)進(jìn)行回放,輸入給動(dòng)態(tài)分析儀或頻譜分析儀,進(jìn)行FFT運(yùn)算,將其計(jì)