『壹』 樁基礎的檢測
成樁的質量檢驗有兩類基本方法,一類是靜載載荷試驗法,另一類為動測法。
1.靜載載荷試驗法
(1)試驗目的及方法
靜載載荷試驗的目的:模擬實際荷載情況,採用接近於樁的實際工作條件,通過靜載加壓,得出一系列關系曲線,確定單樁的極限承載力,綜合評定確定其允許承載力,作為設計依據,或對工程樁的承載力進行抽樣檢驗和評價。荷載試驗有多種,通常採用的是單樁豎向抗壓靜載試驗、單樁豎向抗拔靜載試驗和單樁水平靜載試驗。
(2)試驗要求
預制樁在樁身強度達到設計要求的前提下,對於砂類土,不應少於7d;對於粉土和粘性土,不應少於15d;對於淤泥或淤泥質土,不應少於25d,待樁身與土體的結合基本趨於穩定,才能進行試驗。灌注樁應在樁身混凝土強度達到設計等級的前提下,對砂類土不少於10d;對一般粘性土不少於20d;對淤泥或淤泥質土不少於30d,才能進行試驗。在同一條件下的試樁數量不宜少於總樁數的1%,且不應少於3根,工程總樁數在50根以內時不應少於2根。
2.動測法
動測法又稱動力無損檢測法,是檢測樁基承載力及樁身質量的一項新技術,作為靜載載荷試驗的補充。
(1)試驗方法
動測法是相對靜載載荷試驗法而言;它是對樁土體系進行適當的簡化處理,建立起數學-力學模型,藉助於現代電子技術與量測設備採集樁———土體系在給定的動荷載作用下所產生的振動參數,結合實際樁土條件進行計算,所得結果與相應的靜載試驗結果進行對比,在積累一定數量的動靜試驗對比結果的基礎上,找出兩者之間的某種相關關系,並以此作為標准來確定樁基承載力。
(2)與靜載載荷試驗比較
一般靜載載荷試驗可直觀地反映樁的承載力和混凝土的澆築質量,數據可靠。但試驗裝置復雜笨重,裝、卸、操作費工費時,成本高,測試數量有限,並且易破壞樁基。動測法試驗,儀器輕便靈活,檢測快速;單樁試驗時間僅為靜載試驗的1/50左右;數量多,不破壞樁基,相對也較准確,可進行普查;費用低,單樁測試費約為靜載載荷試驗的1/30左右,可節省靜載試驗錨樁、堆載、設備運輸、吊裝焊接等大量人力、物力。目前,國內用動測法的試樁工程數目,已佔工程總數的70%左右,試樁數約佔全部試樁數的90%,有效地填補了靜力試樁的不足。
(3)承載力檢驗
單樁承載力的動測方法種類較多,國內有代表性的方法有:動力參數法、錘擊貫入法、水電效應法、共振法、機械阻抗法、波動方程法等。其中常用的方法有動力參數法和錘擊貫入法。
(4)樁身質量檢測
在樁基動態無損檢測中,國內外廣泛使用的方法是應力波反射法,又稱低(小)應變法。原理是根據一維桿件彈性波反射理論(波動理論),採用錘擊振動力法檢測樁體的完整性,即以波在不同阻抗和不同約束條件下的傳播特性來判別樁身質量。
『貳』 樁基檢測方法
以應力波理論為基礎的檢測樁基質量的瞬態動測法和穩態振動法使用得較為廣泛。
10.1.2.1瞬態動測法(錘擊法/反射波法)
錘擊法是一種瞬態動測法,又稱反射波法。嵌入土中的樁基,相當於一個在阻尼介質中上端自由與下端彈性聯結的彈性桿。在樁基頂端應用錘擊的辦法施加一脈沖激振力F(t),樁將產生縱向振動而產生應力波。波沿樁身傳播至樁底部分能量反射回樁頂。若激振力足夠大,樁和樁周圍一定范圍內的土將作為一個體系產生自由振動。當樁體中存在波阻抗差異面對,則在這些面上將產生反射波、透射波和多次反射波等,其波的運動學和動力學特徵將發生變化。通過儀器接收這些波,可對樁基質量作出判斷,並推算出單樁承載力。
(1)基本原理及波形特徵
利用小手錘在樁頭施加一沖擊力F(t)被激發應力波在樁身內傳播,當遇到波阻抗界面時,將產生反射波,其反射系數為
環境與工程地球物理
式中:A1,A2為樁身截面積;ρ1,ρ2為介質密度;v1,v2為波速;R表示反射波與入射波的振幅比。這里是以廣義的波阻抗Aρv替代波阻抗ρv,它取決於波阻抗的差異和截面積的變化,反射波旅行時與平均速度及波阻抗界面的深度L有關。然後利用拾振器接收初始信號,樁身缺陷和樁底產生的反射波信號,通過儀器進行處理和分析,結合地質資料對樁的完整性和混凝土的質量作出評價。完整樁一般指樁身混凝土膠結良好,均勻連續,抗壓強度達到設計要求的樁,它只存在一個樁底波阻抗界面,由圖10.1可以看出,A1ρ1v1>A2ρ2v2,所以R<0,根據入射波和反射波速度量的相位關系為同向,體現在U(t)曲線上信號為同向疊加。如圖所示其波形特徵為一衰減振動曲線,衰減快,樁底反射波明顯,解析度高。由圖分析可得一次反射波旅行時為t,樁長為L,則平均速度為
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t可以從時程曲線上讀得,若知vc或L中任一個,便可求解。若二者均未知時,常利用統計的方法或其他實驗的方法假定vc或根據施工記錄來假定L,以求得近似解。
圖10.1完好樁及實測波形
當樁間存在缺陷,如斷裂、夾層、空洞、縮徑或擴徑時,缺陷部位的應力波傳播速度v、密度ρ或截面積A與樁身完好部位都有所不同,即存在波阻抗差異。當應力波遇到波阻抗差異界面時,將會產生反射。若根據這一反射時間計算整樁的波速,則其結果將大於完整樁時的波速。樁身在L1處斷開,Z2相當於充氣或充泥的波阻抗,反射系數R<0,曲線中主要反映了L1處多次反射波,而樁底反射不清(圖10.2)。在L1處樁產生擴徑,應力波在L1處反射系數R>0,入射波和反射波為反向疊加,從時程曲線不難確定擴徑和樁底位置。
圖10.2缺陷樁及波形
眾所周知,樁基的波速與樁身混凝土的密實程度有關。緻密的樁身,其波的傳播速度大,鬆散的樁身,其波速小。
(2)樁基完整性的分析與判別
波形准則。缺陷樁波形特徵見表10.1。圖10.3為典型模型缺陷樁的波形,由圖可見,其特徵明顯接收到的反射波波形對稱圓滑,無畸變,且呈指數衰減形態,則認為是完整樁的特徵波形,反之,則認為是缺陷樁波形(圖10.4)。主要原因是當彈性波在樁體中傳播時遇到不均勻界面或介質斷裂等情況,會產生反射波、透射波、散射波等,因其各波到達時間、振幅和相位可能存在差異,互相疊加後,造成波形畸變。
圖10.3各種類型模型樁的典型波形曲線
表10.1缺陷樁波旅行時曲線特徵表
續表
圖10.4各種模型缺陷樁的波形曲線
速度准則。一般彈性波在樁體中傳播的速度越高,表明樁體混凝土強度越大,反之越低。此外,當樁體中存在離析等缺陷時,往往也造成波速降低。但也有波速高、樁基質量不一定良好的特殊現象。如縮徑樁或斷裂較小的樁,往往波速並不降低,可由波速確定樁的質量(表10.2)。
表10.2波速樁基質量關系表
頻譜准則。當彈性波在樁體中傳播時,其頻率隨著傳播距離的增大,將不斷被樁土介質吸收和衰減,當樁體中存在不均勻界面時,該界面產生的反射波的頻率一般比樁底反射波頻率高,並且其相位也有所變化。通過頻譜分析,可確定其樁體的完整性。一般情況下,若樁體質量完好,則其振幅譜中只有一個主峰值,譜線對稱穩定,與峰值對應的相位譜表現為一相位,如圖10.5所示。若樁體存在結構缺陷或離析層等,則其振幅譜一般表現為兩個以上的峰值,其相位譜中的相位分不同情況有所不同。
圖10.5完整波形及頻譜圖
(3)樁基承載力計算
摩擦樁指樁置於松軟地層。當用重錘豎向敲擊樁周土或樁頭而被激起振動後,將在垂向作自由振動,並通過樁側摩擦力及樁尖作用力帶動樁周部分土體參與振動,形成復雜的樁-土振動體系,其裝置如圖10.6所示。樁及樁側參振的土體,可視作單質點振動體系,根據質量—彈簧—阻尼模式振動理論,可推導出樁基的剛度計算式。再根據剛度與承載力之間的直接相關關系,可計算出樁基的承載力。
圖10.6頻率法檢測裝置示意圖
A.樁基固有頻率
設樁及樁周土為一個單自由度無阻尼彈性系統,根據虎克定律和牛頓第二定律可以導出樁-土體系的振動是按正弦規律變化,其振動周期和固有頻率為
環境與工程地球物理
式中:m為折算後的樁質量與參扳上體質量之和;k為樁-土體系的抗壓剛度。
B.單樁抗壓剛度
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式中:λ為動力修正系數,可取λ=2.365;g為重力加速度為9.81m/s2;Q1為折算後參振樁重,Q1=樁總重/3=1/3·AL0r1;Q2為折算後參振土重, 為參振土擴散半徑,即r0= ;A為樁的橫截面積(m2);L0為樁的全長(m);L為樁的入土深度(m);r1為樁的混凝土容重(kN/m3);r2為樁的下段L/3范圍內土的容重(kN/m3);φ為樁的內摩擦角;d為樁的直徑。
C.單樁臨界荷載
臨界荷載指與按靜荷載試驗測定的P-S曲線上與拐點對應的荷載。根據動靜對比關系,可得臨界荷載為
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式中:μ為靜載與動測之間的比例系數。
它是選取不同地質條件下各種類型的樁基,進行動靜對比試驗,通過數理統計分析求得的回歸系數。
D.單樁允許承載力(Pa)
對粗長樁,特別是當樁尖以下土質遠較樁側土強時,則
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對中小樁,特別是當樁尖以下土質較樁側土弱時,則
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式中:Pa單位為kN;k為安全系數,一般取2.0。10.1.2.2穩態振動法(機械阻抗法)
(1)方法原理
該方法又稱為穩態正弦掃頻激振法。即對樁頂施加幅值不變的變頻激振力,利用速度導納隨激振頻率變化的特徵(圖10.7)來檢測樁基質量並計算承載力。
圖10.7樁基的導納反應曲線
A.速度導納
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式中:F(f)為激振力;V(f)為利用檢波器在樁頂上可接收到其振動信號。
B.樁身砼的波速vc
由波動理論可知:
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式中:Δf是導納曲線上兩諧振峰之間的頻率差;L為樁長。
應用時根據已知樁長L和測得的Δf計算vc,正常砼的波速vc=3300~4500m/s,若vc小於此范圍,說明砼的質量較差。另外,也可利用Δf和正常vc值反算樁長Lm,質量好的樁L=Lm,若Lm<L則反映了在深度處有質量問題。
C.特徵導納
所謂特徵導納是指導納頻譜曲線上振幅的幾何平均值,利用實測的特徵導納與理論計算的特徵導納作比較,可判別樁基的質量。如果實測值接近理論計算值說明樁基的質量及完整性較好。理論計算的特徵導納N和實測特徵導納Nm為
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式中:ρc是樁基質量密度;Ac為樁的截面積;ρmax和Qmin是速度導納的最大值與最小值。
若Nm≈N為正常樁,若Nm>N,說明ρc或vc變小(存在局部混凝土鬆散)或Ac變小(局部有縮徑)。若Nm隨頻率增高而變小,表示樁徑上大下小,也為縮徑樁。若Nm<N,一般為擴徑樁。
D.動抗壓剛度
當樁在低頻(低於樁的固有頻率)激振時,位移較小,樁的振動可視為剛體運動或平動,此時導納曲線接近於直線,其斜率的倒數為樁的動抗壓剛度,即
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式中:|U/F|和fm為導納曲線的低頻直線段上任一點M的導納值和頻率。
動抗壓剛度的意義及用處可歸納為:KD反映樁周土對樁柱的彈簧支承剛度,KD值的大小與樁的承載力有一定聯系;KD值與靜剛度KS建立統計關系,可以評價單樁承載力,並可估計在工作荷載下樁的彈性位移。
在實際工作中,通常不易獲得理想的曲線,在測得的諧振峰中常摻雜一些假峰,為區別真假峰,尚須測定隨頻率變化的速度導納相位變化曲線,即導納譜相頻曲線。相頻曲線上的零相位點所對應的導納譜幅頻曲線上的波峰,即為有效的諧振峰。
(2)檢測系統
樁的穩態激振測試系統中超低頻信號發生器輸出頻率5~1500Hz的自動掃描正弦信號給功率放大器,由它推動樁頂中心的電磁激振器向樁施加幅值不變的動態激振力,即激振力在激振頻率變化時,保持恆定,使樁產生穩態振動。
(3)模擬分析
為檢查機械阻抗法無損檢驗樁基質量的准確性,專門在某地製作了三根直徑1.8m、長約20m的原狀工程試樁。施工時預先在試樁內設置了各種缺陷,以供試驗測試後進行對比。
測試的各種導納曲線如圖10.8(a),(b),(c)所示。3#樁的導納曲線接近調制波形,幅度較大的調制波表示距樁頂8m處有反射,由於波動尚能傳到樁底,調制波的「載頻」是樁底反射,幾個波峰間的Δf基本一致,由此可計算出波速v0=3909m/s。由於3#樁Kd值大於預期值,而Nm小於理論值,可以判定距樁頂8m處有斷面擴大現象。
1#樁和2#樁由於其Lm較製作長度短,Kd值小於預期位,Nm大於預期值,是明顯的缺陷樁。其中2#樁無缺陷以下的反射,計算認為在6.11m處全斷裂,1#樁有缺陷以下的較小反射,計算認為在距樁頂3.75m處有離析,9.5m處有全斷裂。
圖10.8工程試樁及導納反應曲線
『叄』 樁基礎的檢測方法與驗收
一、施工前的質量驗收
鋼筋、水泥、混凝土配合比驗收
二、施工過程中質量驗收
(一)沉樁的質量控制及檢驗
打(沉)樁的質量控制
樁端位於一般土層時,以控制樁端設計標高為主,貫入度作參考。
樁端達到堅硬、硬塑的黏性土等,以貫入度控制為主,樁端標高作參考。
貫入度已達到,樁端標高未達到時,繼續錘擊3陣,按每陣10擊的貫入度不大於設計規定的數值為准。
振動法沉樁,以最後3次振動(加壓),每次10 min或 5 min,測出每分鍾的平均貫入度,以不大於設計規定的數值為合格。
(二)打(沉)樁驗收要求
樁位偏差表
對樁承載力的檢驗:樁的靜荷載試驗根數≥總樁數的1%,且≥3根;只有50根時, ≥2根。
樁身質量檢驗:高、低應變, ≥樁總數的15%,且每個承台不少於1根。
預制樁的檢查,鋼筋籠的檢查。
施工中樁的垂直度、沉樁情況、樁頂完整狀況、樁頂質量進行檢查。
電焊接柱,抽10%作焊縫探傷檢查。
(二)灌注樁質量要求及驗收
平面位置和垂直度的要求;樁頂標高至少要比實際標高高出0.5m。
沉渣厚度要求:
試塊要求:
樁靜載試驗的根數要求:
樁身質量的檢驗及數量要求;
對原材料的檢驗
三、樁的質量檢驗
(一)檢測內容:
樁基礎施工完後,應對基樁的承載力和樁身完整性進行檢測與評價
1.樁身完整性 2.樁身缺陷 3.樁的強度(樁的承載力,樁身混凝土強度。
(二)檢測方法:
1.破損試驗
(1)靜載試驗 static loading test
在樁頂部逐級施加豎向壓力、豎向上拔力或水平推力,觀測樁頂部隨時間產生的沉降、上拔位移或水平位移,以確定相應的單樁豎向抗壓承載力、單樁豎向抗拔承載力或單樁水平承載力的試驗方法。
(2)鑽芯法 core drilling method
鑽機鑽取芯樣檢測樁長、樁身缺陷、樁底沉渣厚度以及樁身混凝土的強度、密實性和連續性,判定樁端岩土性狀
(3)樁基檢測方法及意義擴展閱讀:
1、鑽芯檢測法:
由於大直鑽孔灌注樁的設計荷載一般較大,用靜力試樁法有許多困難,所以常用地質鑽機在樁身上沿長度方向鑽取芯樣,通過對芯樣的觀察和測試確定樁的質量。但這種方法只能反映鑽孔范圍內的小部分混凝土質量,而且設備龐大、費工費時、價格昂貴,不宜作為大面積檢測方法,而只能用於抽樣檢查,一般抽檢總樁量的3~5%,或作為無損檢測結果的校核手段。
2、振動檢測法:
它是在樁頂用各種方法施加一個激振力,使樁體及至樁土體系產生振動。或在樁內產生應力波,通過對波動及波動參數的種種分析,以推定樁體混凝土質量及總體承載力的一種方法。這類方法主要有四種,分別為敲擊法和錘擊法、穩態激振機械阻抗法、瞬態激振機械阻抗法、水電效應法。
3、超聲脈沖檢驗法:
該法是在檢測混凝土缺陷的基礎上發展起來的。其方法是在樁的混凝土灌注前沿樁的長度方向平行預埋若干根檢測用管道,作為超聲檢測和接收換能器的通道。檢測時探頭分別在兩個管子中同步移動,沿不同深度逐點測出橫斷面上超聲脈沖穿過混凝土時的各項參數,並按超聲測缺原理分析每個斷面上混凝土質量。
4、射線法:
該法是以放射性同位素輻射線在混凝土中的衰減、吸收、散射等現象為基礎的一種方法。當射線穿過混凝土時,因混凝土質量不同或因存在缺陷,接收儀所記錄的射線強弱發生變化,據此來判斷樁的質量