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淺談高低應(yīng)變檢測在港口工程樁基中的綜合應(yīng)用論文
江浙地區(qū)的碼頭常采用高樁碼頭，而其核心是樁基礎(chǔ)。樁基常采用預(yù)制混凝土樁和鋼管樁，預(yù)制混凝土樁在沉樁過程中經(jīng)常出現(xiàn)樁身完整性缺陷。
目前規(guī)范中常用的檢測方法有高應(yīng)變檢測和低應(yīng)變檢測。對于易出現(xiàn)完整性缺陷的混凝土預(yù)制樁，可以在沉樁過程中進(jìn)行高應(yīng)變檢測，沉樁完成后可以用低應(yīng)變檢測進(jìn)行校核。兩種方法綜合分析，對基樁完整性的判定會更加的合理。
1 高應(yīng)變檢測完整性
高應(yīng)變法基本原理是應(yīng)力波在樁身中的傳播滿足一維波動理論。在樁頂作用一瞬態(tài)的豎向作用力，使樁身產(chǎn)生一明顯的加速度和土阻力效應(yīng)，由此產(chǎn)生的慣性力對樁身的應(yīng)力和變形產(chǎn)生顯著影響。通過在樁頂附近截面安裝力和加速度傳感器，量測出樁土體系在動荷載作用下的動力響應(yīng)，這些響應(yīng)信號包含著豐富的樁身阻抗和土阻力變化信息，用波動力學(xué)理論分析研究應(yīng)力波沿樁土體系的傳遞與反射現(xiàn)象，從而可以判斷出樁身完整性和單樁極限承載力。
高應(yīng)變動測樁身結(jié)構(gòu)完整性是用完整性系數(shù)β 表
示。β 定義為下上兩個截面的波阻抗Z2、Z1 之比。計(jì)算公式見式
( 1):
β = Z2/Z1 =([F( t1) + Z. V( t1) ]- 2ΔR +[ F( tx) + Z. V( tx) ])/([F( t1) + Z. V( t1 ) ]-[ F( tx) + Z. V( tx) ])( 1)
式中: β——樁身完整性系數(shù);
F( t1) 、F( t2) ——t1、t2時刻測點(diǎn)處實(shí)測的錘擊力( kN) ;
V( t1) 、V( t2) ——t1、t2時刻測點(diǎn)處實(shí)測的速度( m/s) ;
tx——缺陷反射峰所對應(yīng)的時刻( ms) ;
F( tx) 、V( tx) ——缺陷反射峰對應(yīng)時刻測點(diǎn)處實(shí)測的力( kN) 、速度( m/s) ;
△R——缺陷以上部位土阻力的估計(jì)值，等于缺陷反射七點(diǎn)的錘擊力減去速度與樁身截面力學(xué)阻抗的乘積;
Z——缺樁身截面力學(xué)阻抗( kN·s /m) 。
樁身缺陷斷面位置可按式( 2) 計(jì)算:
X = c( tx - t) /2 ( 2)
式中X———計(jì)算點(diǎn)與測點(diǎn)間的距離( m) ;
C——樁身應(yīng)力波波速( m/s) ;
tx——缺陷反射峰所對應(yīng)的時刻( ms) ;
t1——速度第一峰所對應(yīng)的時刻( ms) 。
樁身完整性評價標(biāo)準(zhǔn)。
β = 1. 0: 完整樁;
0. 8≤β < 1. 0: 基本完整樁;
0. 6≤β < 0. 8: 明顯缺陷樁;
β < 0. 6: 嚴(yán)重缺陷樁或斷樁。
2 低應(yīng)變檢測完整性
低應(yīng)變動力測樁的基本原理是采用動力激振使樁引起彈性振動。低應(yīng)變反射波法應(yīng)用最廣，反射波法是建立在波動理論基礎(chǔ)上，將樁假設(shè)為一維彈性連續(xù)桿，在樁頂部進(jìn)行豎向激振產(chǎn)生彈性波，彈性波沿著樁身向下傳播，當(dāng)樁身存在明顯差異的界面( 如樁底、斷樁和嚴(yán)重離析等) 或樁身截面積變化( 如縮徑或擴(kuò)徑) 部位，波阻抗將發(fā)生變化，產(chǎn)生反射波，經(jīng)接受放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，可以識別來自樁身不同部位的反射信息。利用波在樁體內(nèi)傳播時縱波波速、樁長與反射時間之間的對應(yīng)關(guān)系，通過對反射信息的分析計(jì)算，判斷樁身混凝土的完整性及根據(jù)平均波速校核樁的實(shí)際長度，判定樁身缺陷程度及位置。樁身缺陷位置斷面可按式( 3) 計(jì)算:
X = Cm . t'x /2 ( 3)
式中X——計(jì)算點(diǎn)與測點(diǎn)間的距離( m) ;
Cm——同一場地內(nèi)多根已測合格樁樁身的應(yīng)力波平均波速( m/s) ;
tx——缺陷部位反射波到達(dá)時間( ms) ，可由時域波形圖上讀取。
樁身完整性評價標(biāo)準(zhǔn)。
Ⅰ: 檢測波形無異常反射、波速正常，樁身完好，屬完整樁;
Ⅱ: 檢測波形有小畸變，波速基本正常、樁身有輕微缺陷、對樁的使用沒有影響，屬基本完整樁;
�、�: 檢測波形出現(xiàn)異常反射、波速偏低、樁身有明顯缺陷、對樁的使用有一定影響，屬明顯缺陷樁;
�、�: 檢測波形嚴(yán)重畸變、樁身有嚴(yán)重缺陷或斷樁，屬嚴(yán)重缺陷樁或斷樁。
3 工程概況
3. 1 工程基本資料
本碼頭工程采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭樁基選用Φ1200mm 的預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，引橋除在大堤處采用Φ1200mm 鉆孔灌注樁外，其余采用Φ1000mmPHC 管樁。
由于本場地上部為淤泥及軟塑粘土，深層分布有⑤1 - 1層粗砂，⑤2和⑥層均為粘土，PHC 管樁施工過程中須穿越⑤1 - 1層粗砂。
3. 2 沉樁及測試設(shè)備
本次沉樁采用DELMAGD100 柴油錘，油門Ⅱ ～ Ⅲ檔。高應(yīng)變檢測采用PAK 型打樁分析儀系統(tǒng)，低應(yīng)變檢測采用PIT 樁身完整性檢測儀。
3. 3 檢測樁參數(shù)
本次檢測的試驗(yàn)樁樁號為3 - F，Φ1000PHC 樁，型號為AB 型，壁厚為130mm，長度為56m; 共兩節(jié)，每節(jié)長28m。
樁身混凝土強(qiáng)度為C80，軸心抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為3. 11MPa，混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力為6. 00MPa。
4 檢測結(jié)果
4. 1 高應(yīng)變檢測
3 - F 樁初打高應(yīng)變實(shí)測曲線及CASE 法分析。
本試驗(yàn)PHC 樁長56m，共兩節(jié)。計(jì)算得到，在樁頂以下28m處速度峰值在上，力的峰值在下，表明此處的阻抗減小，存在明顯缺陷。此處正好是兩個管節(jié)的接頭處。
由高應(yīng)變計(jì)算得到的完整性系數(shù)β 值為0. 66，此樁為明顯缺陷樁。
4. 2 低應(yīng)變檢測
3 - F 樁低應(yīng)變實(shí)測波形得到，在樁頂以下28m 處，檢測波形出現(xiàn)異常反射，為同向
起跳，樁身有明顯缺陷。此樁為Ⅲ類樁。
4. 3 結(jié)果分析
高應(yīng)變和低應(yīng)變的波形均反映，在樁頂以下28m 處，即上下管節(jié)接頭處存在明顯缺陷。
樁身抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為50. 2MPa，大于樁身實(shí)測最大壓應(yīng)力; 樁身有效預(yù)壓應(yīng)力與軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之和為9. 11MPa，小于樁身實(shí)測的最大拉應(yīng)力12. 2MPa。
在沉樁過程中，當(dāng)樁尖穿過硬土層，進(jìn)入軟土層時，在樁身會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。本場地⑤1 - 1層為粗砂，下部涂層為軟土層，結(jié)合本試驗(yàn)樁的沉樁記錄分析，本次錘擊恰好穿過⑤1 - 1層。綜合分析，3- F 樁上下管節(jié)接頭處的缺陷，是由于沉樁過程中，樁身拉應(yīng)力過大引起的。
5 結(jié)語
( 1) 高應(yīng)變和低應(yīng)變檢測樁身缺陷的位置和樁身完整性狀況基本一致，可以采用兩種方法綜合判定同一根樁的完整性，尤其是對沉樁過程中出現(xiàn)異常情況的基樁。
( 2) 沉樁過程中，當(dāng)穿過硬土層，進(jìn)入軟土層時，樁身會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，容易引起樁身缺陷。應(yīng)當(dāng)采用較低的檔位來進(jìn)行錘擊，以減小樁身的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。
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