高應變法在水閘基樁抗壓承載力檢測的應用

劉 潔

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 概述

高應變法的基本原理，是往樁頂施加沖擊力，使樁貫入后，測量產生的樁身質點應力和加速度，結合波動理論分析，開展應力分析[1-3]。近年來的研究和實踐表明，高應變法可用來判定單樁豎向抗壓承載力是否滿足設計要求，檢測樁身缺陷及其位置，判定樁身完整性類別[4-7]。本文以某水系連通工程水閘基樁為例，論述高應變法在水閘基樁抗壓承載力檢測的應用。

水閘基樁類型為混凝土灌注樁，樁徑900mm，水閘閘室段26.98～28.90m、擋土墻段26.40～27.60m。場地埋深約60.00m深度范圍內，地基土按成因年代可分為以下7層：人工填土層、全新統中組海相沉積層、全新統下組沼澤相沉積層、全新統下組陸相沖積層、上更新統第五組陸相沖積層、上更新統第四組濱海潮汐帶沉積層、上更新統第三組陸相沖積層。均為第四系淺層新地層，較為松軟稀疏，因此基樁抗壓承載力檢測對于該水閘建設至關重要。

2 方法原理與設備

本工程采用武漢中巖科技有限公司研制的RSMPDT(A)基樁檢測分析儀，2個加速度傳感器，2個應變測量傳感器及附屬設備。分析軟件為配套專業應用軟件。本次高應變檢測使用錘重為50kN，最大錘擊落距為1.0m；傳感器安裝位置距樁頂為1.0m。

在重錘的沖擊下，產生的應力波將沿樁身向下傳播。在應力波的作用下，使樁、土產生相對位移。利用安裝在樁身上的應變計和加速度傳感器，拾取錘擊時樁身受力和運動速度的時域波形。利用樁基分析儀采集、并對兩信號進行分析，CASE法按下式判定單樁豎向極限承載力。

現場檢測裝置見圖1。實際操作的經驗表明，重錘落距越高，錘擊應力和偏心越大，越容易擊碎樁頭，作者的經驗是最大錘擊落距不宜大于2.5m。

圖1 基樁高應變現場檢測裝置圖

式中：Rc——CASE法確定的單樁極限承載力，kN；

Jc——CASE法阻尼系數；

F——某時刻測點處實測的錘擊力，kN；

t1、t2——速度波第一峰和第二峰對應的時刻，ms；

F(t1)、F(t2)——t1、t2時刻測點處實測的錘擊力，kN；

v(t1)、v(t2)——t1、t2時刻測點處實測的速度，m/s；

Z——樁身截面力學阻抗，kN·s/m；

A——樁身截面積，m2；

E——樁身材料彈性模量，MPa；

L——測點以下樁長，m；

c——樁身應力波波速，m/s。

3 結果分析

從表1高應變檢測成果，結合地質資料分析，本文樣品地質背景均為第四系地層，CASE法阻尼系數Jc取值0.35。閘室段被檢樁單樁豎向極限承載力3810～4030kN，平均值為3900kN；擋土墻段被檢樁單樁豎向極限承載力3580～3900kN，平均值為3680kN。

表1 高應變檢測成果表

為開展抗壓承載力綜合分析，本文應用高應變檢測成果開展了樁身完整性分析。對于等截面樁，可按下表并結合經驗判定，完整性系數β和樁身缺陷位置按下列式計算：

式中：β——樁身完整性系數；

t1——速度波第一峰對應的時刻，ms；

tx——速度波第二峰對應的時刻，ms；

F(t1)、F(tx)——t1、tx時刻測點處實測的錘擊力，kN；

v(t1)、v(tx)——t1、tx時刻測點處實測的速度，m/s；

Z——樁身截面力學阻抗，kN·s/m；

ΔR——缺陷以上部位土阻力估計值，kN，等于缺陷反射起始點的錘擊力減去速度與樁身截面力學阻抗的乘積；

c——樁身應力波波速，m/s；

x——缺陷斷面位置與測點間的距離，m。

完整性判定見表2，本文基樁樣品β均大于1，為完整樁。高應變檢測成果見表3。

表2 完整性判定表

表3 高應變檢測成果表

分析表明，水閘閘室段樣品高應變單樁豎向抗壓極限承載力檢測值均不小于3780kN，豎向抗壓承載力特征值可取1890kN；擋土墻段樣品高應變單樁豎向抗壓極限承載力檢測值均不小于3540kN，豎向抗壓承載力特征值可取1770kN。按照《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》和《建筑基樁檢測技術規范》，單樁豎向抗壓承載力特征值滿足設計要求[8-9]。

4 結論

綜合上述抗壓承載力檢測分析，研究取得了以下結果。

（1）水閘閘室段豎向抗壓承載力特征值可取1890kN；擋土墻段豎向抗壓承載力特征值可取1770kN。

（2）按照行業標準，水閘閘室段單樁豎向抗壓承載力特征值滿足設計要求，且完整性分析表明單樁樣品為完整樁。綜合分析表明，高應變法可用來測試單樁豎向抗壓承載力，判定是否滿足設計要求。

（3）現場實際操作的經驗表明，高應變法實驗過程中，重錘最大錘擊落距不宜大于2.5m。