動剛度法在既有橋梁樁基礎狀態評估中的應用研究

李權福，王振卿，劉建磊

(1.神華鐵路貨車運輸有限公司，北京 100011;2.中鐵十五局集團公司，河南洛陽 471013;3.中國鐵道科學研究院，北京 100081)

樁基礎具有承載能力高、施工成本低、建筑物穩定性好的特點，隨著新建結構向高聳、大跨方向發展，樁基礎的使用比例正逐步增大，目前在役的建(構)筑物大部分均采用樁基礎。經過幾十年的不斷發展，目前針對新建結構基樁檢測的方法主要有靜載試驗、高應變檢測、低應變檢測、超聲波檢測及取芯檢測五種方法，前兩種方法主要對基樁承載能力進行評定，后三種方法則側重于基樁完整性檢測。由于各種方法的原理及檢測指標各異，導致上述各種檢測方法均有一定的適用范圍，但其檢測結果在不同范圍內均可滿足基樁質量檢測的需求，我國目前所有新建結構基樁至少需要采用上述方法中的一種方法進行質量檢測。

由于早期工程建設質量管理不完善，同時出于成本方面的考慮，部分基樁在建設時期未開展質量檢測工作，基樁質量處于未知的狀態。隨著工業化和城市化進程的加速推進，交通量呈現大幅增長，車輛荷載及軸重出現增大的趨勢，部分高速公路橋梁樁基礎在運營多年后出現了顯著沉降(個別基礎沉降量達10 cm左右)，既嚴重影響了高速公路的行車舒適性，也為高速公路的正常運營帶來了嚴重的安全隱患。為解決上述問題，需要在保持正常運營的條件下對這些基樁的質量及承載能力進行檢測，以便對其工作狀態進行綜合評定，并制定相應的處治措施以確保運營安全。

1 檢測方法

上世紀70～90年代，為了能夠方便快捷地檢驗基樁承載力，業內相關人員進行了大量的研究工作，主要是采用動測法，諸如動力參數法、共振法、機械阻抗法等來獲取結構的動力參數。動測法的基本原理為根據實測沖擊力及振動信號的關系，分析基樁體系的動剛度，并通過靜載試驗實測承載力，建立基樁動剛度與實測承載力之間的關系——動靜對比系數，進而得到用動剛度推算承載力的計算公式

式中:Rk為基樁承載力，kN;Kd為動剛度，kN/mm;Sa為容許沉降量，mm;η為動靜對比系數。

由于不同地區地質條件變化較大，基樁特征千差萬別，檢測人員在動靜對比系數的取值上存在較大分歧，既便是同類樁基礎在相同地質條件下動剛度值明顯偏小(基樁承載力偏小)的現象也屢屢發生。加上早期振動測試分析能力較弱，利用動剛度推算基樁承載力的公式未能夠得到大面積推廣和應用。基于這一特點，檢測人員可通過一批基樁的動剛度測試結果篩選出承載力偏低的基樁，結合低應變法和取芯法測試基樁質量，從承載力和樁身質量兩方面評估基樁使用狀態。

瞬態激振機械阻抗法為基樁動力測試中常用的一種無損檢測方法，其激振力介于低應變法與高應變法之間。采用瞬態激振機械阻抗法分析樁土體系共同作用下的縱向振動時需對樁土體系的力學模型作如下假定:

1)假定基樁是埋入土中的一維彈性直桿。采用激振方式進行基樁檢測時，在樁頂施加的激振力雖有大小之分，但樁土體系可認為是在彈性受力狀態下工作，這保證了振動理論分析的主要假定條件，所以其動力測試結果是比較穩定的，大量的實測結果也證實了這點。

2)假定樁身材質均勻、各向同性，橫截面在振動過程中保持平面，橫向變形忽略不計。

3)土對樁的約束簡化為線性彈簧及與振動速度有關的阻尼器，并以平行方式耦合。

4)樁土體系是一個時不變線性系統，受力響應服從虎克定律和遵守疊加原理。

研究一個系統的機械導納特性(傳遞函數)，基本前提是這個系統必須是一個時不變線性系統，就是說這個系統的基本特性不隨時間而改變，且其輸入和輸出符合疊加原理。樁土體系在低量級的沖擊激勵條件下，產生的振動量級極其微小，屬于微幅振動，樁土的特性參數在短時間不易改變，所以激振力沖擊法滿足瞬態激振機械阻抗法對振動體系的基本要求。

任何線性結構系統在確定的動態力(輸入)作用下，必定顯示確定的動態響應(輸出)，瞬態導納函數確定了輸入和輸出之間的函數關系，導納函數表征了所測體系的動態特性，這是研究結構動力特性的重要方法之一。其表達式

式中，H(f)為瞬態導納函數，V(f)為振動速度函數，F(f)為激振力函數。

瞬態激振機械阻抗法對樁土體系的簡化:對樁土體系作振動分析時，視基樁為埋在土中的彈性直桿，其為一個無窮多自由度的桿件系統。但大多數情況下基樁長細比較小(＜40)，樁周土剛度往往遠小于基樁本身的剛度，以摩擦為主和樁尖支承共同作用的端承摩擦樁就是此類情況，這時樁周土體的支承作用包括樁底的壓縮支承(樁底反力)、樁側土的剪切支承(側摩阻力)和阻尼作用，這些作用可簡化用樁底彈簧和阻尼器來表示。當樁頂受到低頻脈沖激勵時，所測樁頭動力響應就是樁土體系的支撐反力、側摩阻力以及樁的幾何特性的綜合反映(圖1)。通過測試軟件進行分析計算，繪制出導納(V/F)隨頻率f的變化曲線——導納函數曲線(圖2)。該曲線的低頻段為一近似直線段，低頻直線段斜率的倒數為樁土體系的綜合動剛度

圖1 瞬態激振機械阻抗法測試示意

圖2 典型導納—頻率曲線

式中:Kd為動剛度，kN/mm;f為頻率，Hz;V為振動速度，mm/s;F為激振力，kN。

實際測試時，采用一定的激振力對樁頂進行沖擊，通過安裝于樁頂位置的拾振器采集豎向振動信號，通過傳遞函數分析得到基樁體系的動剛度值。

2 檢測示例

為了驗證瞬態激振機械阻抗法的測試效果，試驗人員選取了13根摩擦端承樁進行了動剛度測試，激振質量為50 kg，下落高度為70 cm，基樁結構形式如圖3～圖5所示。

基樁動剛度測試結果與承載力關系如圖6所示。從圖6可以看出:

1)13根基樁動剛度測試結果與承載力近似呈線性變化，隨承載力的增加，基樁動剛度也相應增加。

2)圖中兩根基樁動剛度測試結果偏離正常規律，動剛度明顯較同類型基樁偏低，從承載力及驗證情況來看，這兩根樁承載力偏低、小于設計容許承載力，不滿足設計要求，類型2中B1樁取芯法結果證明該基樁樁身存在明顯缺陷。

3)動剛度測試結果驗證了動剛度與承載力之間的比例關系，這對同類條件下基樁之間的承載力對比尤其重要。在同類條件下，動剛度小的基樁承載力偏小，可認為其承載力是否滿足設計要求存在疑問，再輔助低應變法、取芯法檢測，可以從樁身質量及承載力兩方面綜合評估基樁工作狀態，為判斷基樁是否需要加固處理提供技術支持。

圖3 類型1——單樁單柱結構(單位:mm)

圖4 類型2——工字形承臺結構(單位:mm)

圖5 類型3——L形承臺結構(單位:mm)

圖6 基樁承載力與動剛度關系

4)測試結果驗證了公式(1)的合理性，表明既有橋梁基樁可以在保持正常運營的條件下利用動剛度法測試基樁承載力。

上述基樁動剛度測試完成后采用取芯法、低應變法進行了樁身質量檢測。基樁檢測結果如表1所示。

3 結論

現場試驗結果表明，對處于運營狀態下的既有橋梁結構，采用瞬態激振機械阻抗法來評定基樁承載力的相對大小是滿足工程使用要求的，本次檢測的13根基樁均為摩擦樁，其測試結果驗證了上述結論。在此基礎上，采用低應變法和取芯法對動剛度較低的基樁進行樁身質量檢測，綜合承載力和樁身質量的檢測結果可較為準確地評定基樁工作狀態，這為既有橋梁結構基樁的評估提供了一種簡便有效的檢測方法。由于本次應用基樁樣本數量相對較少，且未包含嵌巖樁的樣本，目前尚不能給出一個普遍適用的動剛度與承載力之間的換算公式，后續工作將針對這一問題增加樣本數量及基樁類型，繼續進行動剛度與承載力之間相關性的研究，以期得到一個普遍使用的換算公式，為工程應用提供技術支持。

表1 基樁樁身質量及承載力檢測結果

［1］中華人民共和國建設部.JGJ 106—2003 建筑基樁檢測技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［2］中華人民共和國建設部.JGJ/T 93—95 基樁低應變動力檢測規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，1995.

［3］徐慧，繳玉森.瞬態導納狀態調整系數法檢測基樁承載力技術［R］.北京:鐵道部科學研究院，1996.

［4］羊建勛.瞬態激勵確定基樁動剛度及承載力的初步研究［J］.中國鐵道科學，1994，15(1):104-115.

［5］應懷樵.振動測試和分析［M］.北京:中國鐵道出版社，1987.

［6］劉建磊，馬蒙，柯在田，等.影響橋梁基樁動剛度因素的分析［J］.鐵道建筑，2014(4):8-12.

［7］楊武，柳春.穩態(瞬態)機械阻抗法檢測樁基質量原理［J］.振動、測試與診斷，1994，14(4):15-22.

［8］雷林源.樁基動力學［M］.北京:冶金工業出版社，2000.

［9］北京鐵科工程檢測中心.東莞北橋橋墩基礎檢測評估報告［R］.北京:北京鐵科工程檢測中心，2012.