基于單孔地震波法的地下室上浮樁基礎(chǔ)損傷檢測(cè)技術(shù)研究

沈士杰，卞德存，趙鴻彬，葉東昌

（廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 530520）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，地下空間的開發(fā)利用也在不斷地向做大做深的方向發(fā)展，由此出現(xiàn)了大量帶有地下室的建筑結(jié)構(gòu)，且地下室規(guī)模和埋置深度也在不斷增大[1]。然而，由于地下室結(jié)構(gòu)的重量與該位置原來的土體重量相比要輕得多，在施工過程中如遇持續(xù)性強(qiáng)降雨，且上部結(jié)構(gòu)荷載未完全施加，則極易導(dǎo)致地下室底板出現(xiàn)上浮隆起，梁、板、柱等構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)會(huì)因地板上浮產(chǎn)生壓縮、剪切破壞，造成嚴(yán)重的工程質(zhì)量事故，對(duì)地下室的正常使用產(chǎn)生較大的影響。

由于目前地下室上浮的結(jié)構(gòu)損傷鑒定問題還缺乏系統(tǒng)研究，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)地下室上浮后的結(jié)構(gòu)鑒定依然參照地上建筑物的鑒定方式開展，其重點(diǎn)是對(duì)梁板柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、損傷情況進(jìn)行檢測(cè)記錄，進(jìn)而推斷整體結(jié)構(gòu)的安全狀況，未充分考慮地下樁基礎(chǔ)在底板上浮過程中出現(xiàn)樁身破壞或樁頭與底板承臺(tái)脫開的情況，從而產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度的誤判[2]。

單孔地震波法作為一種樁基無損檢測(cè)方法，已廣泛應(yīng)用于既有樁基礎(chǔ)的檢測(cè)當(dāng)中。在樁長(zhǎng)檢測(cè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常利用Shell 射線理論建立單孔地震波樁長(zhǎng)的計(jì)算公式，并根據(jù)測(cè)孔-樁間距、測(cè)孔傾斜度對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行修正[3]。對(duì)既有建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)檢測(cè)與鑒定來說，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)樁身是否存在缺陷或損傷比樁長(zhǎng)推測(cè)往往更加重要[4]。目前既有樁基缺陷識(shí)別方面鮮有相關(guān)的研究報(bào)道，僅少數(shù)學(xué)者在理論方面開展了一些初步探討。

單孔地震波檢測(cè)樁基完整性的理論研究多數(shù)建立在樁頂自由這一簡(jiǎn)化假定基礎(chǔ)之上，這與既有樁基頂部與上部結(jié)構(gòu)剛接的情況明顯不符，另外計(jì)算采用的地層條件過于簡(jiǎn)單，未考慮土體剛度和波速沿深度變化的影響，理論成果的適用性尚未經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證；同時(shí)，由于試驗(yàn)采用的模型樁尺寸普遍為縮尺模型，樁身完整性測(cè)試結(jié)果能否指導(dǎo)實(shí)際工程樁基完整性檢測(cè)仍需開展深入研究。

本文結(jié)合工程案例，采用單孔地震波法對(duì)地下室樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)分析，通過對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有建筑物地下室樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完整性的檢測(cè)，可為今后類似的工程情況提供參考。

1 工程概況

廣東某建筑工程為一商業(yè)住宅綜合體，共有1 棟1層高的社區(qū)服務(wù)站、1 棟1 層高的配電房、8 棟26 層高住宅及3 棟32 層高的住宅，設(shè)一層地下室。住宅采用框架結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)體系。地基基礎(chǔ)采用有抗拔要求的預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。由于近期雨水較多，長(zhǎng)期強(qiáng)降雨使得施工現(xiàn)場(chǎng)地下水位上升，地下室底板也因?yàn)檫B續(xù)降雨無法及時(shí)覆土，導(dǎo)致位于兩棟32 層高層住宅中間裙樓部分的地下室區(qū)域出現(xiàn)底板上浮現(xiàn)象，最大上浮量超過50mm。整個(gè)待檢測(cè)區(qū)域的上浮量呈“倒鍋底”現(xiàn)象，即兩棟高層中間部位上浮量大而靠近邊緣部位由于受外墻制約則上浮量較小。采取了底板開孔放水措施后，底板上浮變形有所恢復(fù)。底板上部混凝土柱端頭出現(xiàn)壓縮破壞。地下室混凝土柱損傷狀況如圖1 所示。

圖1 地下室混凝土柱損傷狀況

2 檢測(cè)原理、設(shè)備及檢測(cè)方案

2.1 檢測(cè)原理

本次損傷檢測(cè)所采用的單孔地震波法，是利用完整樁身、缺陷樁身及土層間的縱波傳播速度上的差異來對(duì)樁長(zhǎng)及樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)和辨別的[5]。其檢測(cè)原理如下：首先，在基樁的旁側(cè)與基樁平行預(yù)埋一根測(cè)試管，測(cè)試管內(nèi)灌滿清水。其次，在基樁上部承臺(tái)或立柱上進(jìn)行敲擊，利用測(cè)試管內(nèi)的傳感器接收敲擊引起的彈性波。由于彈性波在樁中的傳播速度比在樁周土中的傳播速度快，致使測(cè)試管內(nèi)的傳感器最先接收到的必然是沿樁身向下傳播的彈性波[6]。當(dāng)傳感器位于樁底以下時(shí)，彈性波在土體中的傳播路徑變長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致傳感器接收到的初至波延后，形成一個(gè)初至?xí)r的斜率變化拐點(diǎn)。如果樁身存在嚴(yán)重缺陷，則會(huì)導(dǎo)致接收到初至波的時(shí)間延后[7]。通過觀測(cè)測(cè)試管內(nèi)傳感器接收到初至波的時(shí)間變化，即可判斷基樁是否存在缺陷。單孔地震波法檢測(cè)原理如圖2 所示。

圖2 單孔地震波法檢測(cè)原理

2.2 檢測(cè)設(shè)備

在早期，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師多采用三分量檢波器（圖3）開展單孔地震波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)。三分量檢波器，可通過充氣囊或彈簧片彈性固定于孔壁，通過拾取和分析孔中的地震波速度信號(hào)進(jìn)行樁長(zhǎng)判別。與上述測(cè)試設(shè)備不同，本次測(cè)試采用12 道水聽器鏈（圖4）代替單通道三份量傳感器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集。水聽器鏈檢波器間距為1m，每次測(cè)試可獲得12 個(gè)點(diǎn)位的地震波數(shù)據(jù)，并且采用水介質(zhì)進(jìn)行耦合，極大地提高了檢測(cè)速度及錘擊數(shù)據(jù)的一致性，并顯著降低了傳感器耦合狀態(tài)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

圖3 采用氣囊耦合的三分量傳感器

圖4 CH3R 型高靈敏度多道水聽器

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用DAQlink3 便攜式地震儀（圖5）。該設(shè)備具備12 通道，最小采樣間隔20μs；設(shè)備采用以太網(wǎng)連接用于快速數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，有錘擊開關(guān)觸發(fā)及時(shí)間觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。

圖5 DAQlink3 分布式地震儀

2.3 檢測(cè)方案

測(cè)試對(duì)象為兩跟單樁承臺(tái)下的管樁基礎(chǔ)A 樁、B樁，兩樁尺寸、承臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)格、施工方式、埋置深度均相同。其中A 樁為底板上浮外圍區(qū)域樁基，A 樁上部混凝土柱未出現(xiàn)損傷，底板上浮量基本為零。B 樁為底板上浮最嚴(yán)重區(qū)域樁基礎(chǔ)，B 樁頂部混凝土柱出現(xiàn)擠壓崩壞，柱腳區(qū)域出現(xiàn)裂縫及涌水；由于底板上浮過程中，樁身最容易出現(xiàn)拉伸破壞的是樁頭承臺(tái)連接部位，此區(qū)域存在結(jié)構(gòu)交界面，波形反射規(guī)律復(fù)雜，需要使用無損傷樁基（A 樁）作為對(duì)照。由于樁基礎(chǔ)位于已建成的地下室底板下部，且地下室內(nèi)部各類管線已安裝完成，對(duì)鉆機(jī)架設(shè)高度及鉆桿更換方式要求較高（低凈高特種鉆機(jī)）。綜合考慮檢測(cè)施工成本及時(shí)效性，本次測(cè)試僅對(duì)A 管樁樁頭部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以作為對(duì)照參考。

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)每個(gè)水聽器采集到的彈性波振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行疊加，可獲得振動(dòng)波列圖。圖6 為A 樁基（無損傷對(duì)照樁）振動(dòng)波列，圖7 為B 樁基（待測(cè)樁）振動(dòng)波列。A 樁底板以下2m 范圍內(nèi)（主要樁頭與承臺(tái)連接位置）的彈性波信號(hào)特征可用以輔助判斷B 樁樁頭損傷情況。

圖6 A 樁基（無損傷對(duì)照樁）振動(dòng)波列

圖7 B 樁基（待測(cè)樁）振動(dòng)波列

A 樁基測(cè)試范圍為底板表面至下部2m 深度。在測(cè)試范圍內(nèi)，首至波信號(hào)清晰，無明顯波幅衰減，底板表面至樁頂距離為0.75m，則推斷A 樁樁頭以下深度0～1.25m 的混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)性較好，無明顯缺陷，A 樁樁頭與承臺(tái)結(jié)合部位信號(hào)過渡平滑，無信號(hào)衰減或間斷。

B 樁測(cè)試范圍為底板表面至下部13m 深度。彈性波信號(hào)在深度約0.8m 處出現(xiàn)同相軸間斷，0.8～2.6m 的首至波信號(hào)衰減嚴(yán)重，且深度2.6～13m 首至波信號(hào)較弱，波速較低（上部缺陷，導(dǎo)致振動(dòng)能量傳遞受阻），初至?xí)r間規(guī)律性較好。由于底板表面至樁頂距離為0.75m，推測(cè)B 樁有缺陷存在于樁頭往下深度0.05～1.85m，根據(jù)B 樁上部立柱柱腳滲水嚴(yán)重這一現(xiàn)象推斷，B 樁極有可能在樁頭部位出現(xiàn)拉伸破壞，樁頭與承臺(tái)連接出現(xiàn)斷裂失效。

4 結(jié)語

在利用單孔地震波法的基礎(chǔ)上，通過同條件、同尺寸完整樁基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果對(duì)照，可以較為方便地實(shí)現(xiàn)地下室上浮后既有樁基礎(chǔ)損傷檢測(cè)，尤其是針對(duì)一些“樁-承臺(tái)”交界面等波形規(guī)律不明確的區(qū)域，通過對(duì)照的方式，能較好地輔助判別樁基損傷情況，為既有樁基完整性檢測(cè)提供了新的思路。