摘 要：本文詳盡地闡述了混凝土預(yù)制樁
打樁分析儀監(jiān)控技術(shù)的試驗內(nèi)容及其基本理論。通過應(yīng)用到實際打樁工程監(jiān)測，得到錘擊動應(yīng)力變化、樁身完整性、打樁錘轉(zhuǎn)換能量及樁承載力等信息。在此基礎(chǔ)上提出一套預(yù)制樁施工與監(jiān)測相結(jié)合的新的檢測程序，以達到大幅提高施工質(zhì)量，縮短工期和減少基樁檢測費用的目的。
1 前言
目前國內(nèi)大規(guī)模的經(jīng)濟建設(shè)中，重型工業(yè)廠房、橋梁及高層建筑的基礎(chǔ)普遍采用打入樁，因為打入樁結(jié)構(gòu)堅固耐久，單樁豎向承載力大，且不受地下水和潮濕變化影響等優(yōu)點。對打入樁的檢測多年來始終遵循著傳統(tǒng)的檢測方式和檢測方法，即在樁打入地下后，待滿足規(guī)范規(guī)定的地基土休止期后，用動力試驗或靜載試驗的方法檢測基樁的成樁質(zhì)量和承載能力。然而，實際上常發(fā)生由于錘擊壓應(yīng)力過大引起樁頂破損，沉樁過程中進入軟弱界面時產(chǎn)生強烈的拉伸應(yīng)力導(dǎo)致接樁位置焊接開裂等現(xiàn)象，不僅基樁完整性下降，而且會出現(xiàn)沉降過大，承載力不足等問題，嚴(yán)重時整個基礎(chǔ)報廢，給工程造成巨大的經(jīng)濟損失。
近年來，根據(jù)打入樁本身特點及各種地質(zhì)條件，結(jié)合國外先進的理論和儀器應(yīng)用，開展了打樁監(jiān)控試驗研究工作，并在實踐中提出一套施工與監(jiān)測相結(jié)合的新的檢測程序。
2 打樁監(jiān)控試驗基本理論
打樁監(jiān)控試驗使用兩個應(yīng)力傳感器和兩個加速度傳感器對稱固定在樁頂附近或鋼鑄替打上，隨連續(xù)錘擊沉樁過程，記錄每一錘作用下檢測截面 M 處的力 F(t)和速度 V(t)與阻抗 Z 乘積的變化，然后利用一系列波動理論計算方法，從中可以獲取大量的重要信息和分析結(jié)果。概括起來可以得到以下三個方面的結(jié)果：⑴基樁的可打性分析，即通過樁身錘擊應(yīng)力監(jiān)測和錘擊能量監(jiān)測，評判打樁機能否適應(yīng)場地工程地質(zhì)條件將樁有效地打入設(shè)計深度；⑵樁身結(jié)構(gòu)完整性；⑶基樁豎向極限承載力。
2.1 樁身最大錘擊應(yīng)力監(jiān)測
在混凝土預(yù)制樁的低應(yīng)變動力檢測中常常發(fā)現(xiàn)樁身某處嚴(yán)重破損或接樁處焊接開裂等工程質(zhì)量問題，這是由于樁端從軟土層突然進入較大阻力的硬土層時使樁身錘擊壓應(yīng)力增大，或樁端穿過硬土層突然進入軟夾層時使樁身錘擊拉應(yīng)力增大所致。因此，樁身最大錘擊應(yīng)力監(jiān)測包括樁身錘擊壓應(yīng)力和錘擊拉應(yīng)力兩部分。
根據(jù)波動理論推導(dǎo)，樁身最大錘擊拉應(yīng)力可按下式計算：
式中：
σt：樁身最大錘擊拉應(yīng)力，kPa；
x：計算點與測點之間的距離,m。
樁身最大錘擊壓應(yīng)力可按下式計算：
式中：σp：樁身最大錘擊拉應(yīng)力,kPa；
Fmax：實測最大打擊力,kN。
根據(jù)規(guī)范[2]規(guī)定，混凝土預(yù)制樁樁身最大錘擊壓應(yīng)力σp 應(yīng)小于樁材軸心抗壓強度設(shè)計值，樁身最大錘擊拉應(yīng)力σt 應(yīng)在（0.25～0.33）σp 之間。
2.2 錘擊能量監(jiān)測
打樁錘實際傳遞給樁的能量可按下式計算：
式中：En：樁錘實際傳遞給樁的能量,kJ；
T：采樣結(jié)束的時刻。
國內(nèi)通常使用柴油打樁錘，樁錘實際傳遞給樁的能量 En 與已知的額定能量之比稱為樁錘效率。對于混凝土預(yù)制樁，該值一般介于 0.20～0.30 之間。
2.3 樁身結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測
在連續(xù)的錘擊作用下常常會引起樁身缺陷或接樁開焊，發(fā)現(xiàn)和計算缺陷位置和缺陷大小尤為重要。打樁監(jiān)控試驗可以觀察連續(xù)錘擊下缺陷的位置和缺陷逐步擴大或逐步閉合全過程的變化情況。在監(jiān)測過程中一般情況下是首先對力和速度（或上行波）曲線作定性分析，及時發(fā)現(xiàn)缺陷和位置并注意觀察。由于打入樁一般等截面，樁身規(guī)則且材質(zhì)均勻，樁身截面力學(xué)阻抗相同，因此樁頂以下第一個缺陷可以采用結(jié)構(gòu)完整性系數(shù)β法進行準(zhǔn)定量計算：
式中：β：樁身結(jié)構(gòu)完整性系數(shù)；
t1：速度第一峰所對應(yīng)的時刻,ms；
tx：缺陷反射峰所對應(yīng)的時刻,ms；
?R：缺陷以上部位土阻力估計值。
樁身缺陷位置可按下式計算：
式中： L'x ：缺陷位置與樁頂之間的距離,m；
：樁身平均彈性波速,m/s。
2.4 單樁豎向極限承載力監(jiān)測
在連續(xù)的錘擊作用下，樁身不斷下沉，樁周土和樁端土阻力不斷地被發(fā)揮出來，土阻力產(chǎn)生的阻力波使得實測曲線 F(t)、V(t)上下分離，應(yīng)用一維波動方程和樁一土體系的數(shù)學(xué)模型確定單樁豎向極限承載力。樁打入地下設(shè)計標(biāo)高時所測到的樁側(cè)和樁端靜土阻力值之和稱為初打承載力，如果經(jīng)過復(fù)打試驗獲得樁在地基土中的時間效應(yīng)系數(shù)，就可以根據(jù)二者的乘積推算出不同齡期單樁豎向承載力值。
一般情況下，對打入樁單樁豎向極限承載力監(jiān)測分為兩個階段：一是現(xiàn)場進行 CASE 法分析，二是室內(nèi)進行實測波形擬合（CAPWAP）法計算。
CASE 法是在一些理想假設(shè)基礎(chǔ)上提出的，是一種半經(jīng)驗算法，比如它要求樁呈一維彈性體且樁身阻抗相等；應(yīng)力波在傳播過程中，樁側(cè)沒有動阻尼，動阻尼主要集中在樁端；樁-土體系滿足質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)等。CASE 法在現(xiàn)場能粗略地提供樁承載力結(jié)果，常用以下公式進行計算：
式中：Rc：單樁豎向極限承載力,kN；
Jc：CASE 阻尼系數(shù)；
t1：速度峰值對應(yīng)的時刻,ms；
Z：樁身截面力學(xué)阻抗,kN﹒s/m；
L：測點以下樁長,m。
從上式中不難看出，影響計算結(jié)果的主要參數(shù)是帶有經(jīng)驗性的 Jc 值?；氐绞覂?nèi)采用實測波形擬合（CAPWAP）法計算可以大大提高測試精度。CAPWAP 法與 CASE 法相比是截然不同的兩種思路，它是利用實測波形中的一條曲線（F、V 或上、下行波）通過設(shè)定樁土參數(shù)進行波動方程擬合計算，得到另一條曲線的計算值，然后與實測曲線相比較，如不符合，重新調(diào)整樁土參數(shù)，再重新迭代計算，重復(fù)上述過程。經(jīng)過循環(huán)計算直到獲得滿意的擬合結(jié)果為止，最終確定出符合實際樁土體系的所有參數(shù)值，得到樁身摩阻力、樁端土阻力、樁身分段土阻力和總阻力。
3 工程實例
某大型工業(yè)廠房屬國家重點工程，采用截面為 400mm×400mm 的鋼筋混凝土預(yù)制方樁基礎(chǔ)，樁長 18.0m，分為上下兩節(jié)（9.0m+9.0m），接樁處使用角鋼焊接，角鋼規(guī)格為 340mm×63mm×5mm，單樁設(shè)計極限承載力
為 1400kN。由于該場地缺乏打入樁施工經(jīng)驗及檢測資料，為確保工程質(zhì)量，決定對前期 6 根試樁實施全程打樁監(jiān)控試驗。在沉樁過程中進行實時樁身內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測、樁身結(jié)構(gòu)完整性變化監(jiān)測及打樁錘效監(jiān)測確定打樁機類型、錘重、落高和錘墊厚度等施工參數(shù)；同時獲得初打終錘時單樁極限承載力，樁土休止期后進行復(fù)打試驗，得到最終極限承載力及地基土?xí)r間效應(yīng)恢復(fù)系數(shù)，實現(xiàn)推算工程樁單樁極限承載力的目的。
檢測設(shè)備使用
PDA-8G第8代高應(yīng)變打樁分析儀。如圖 1 為一試樁實測 F-V 曲線。從中可以看出，F(xiàn) 和 V 曲線在作用開始的上升段基本重合，樁端土體由于受到?jīng)_擊擾動，產(chǎn)生很大且長時間的拉伸反射，使得 V 曲線上升幅度高而寬緩，且能明顯看到速度曲線的二次反射，說明初打時樁側(cè)土和樁端土受到強烈沖擊使樁端形成明顯的自由端。圖 2 為該樁 28d 的復(fù)打曲線。和初打曲線相比，樁端速度曲線上升幅度明顯變低而窄陡，另外最大打擊力顯著增加。
圖 1：初打?qū)崪y曲線 圖 2：28d 的復(fù)打曲線
對初打曲線進行 CASE 法和 CAPWAP 法計算，得到樁身最大拉應(yīng)力曲線、最大壓應(yīng)力曲線和最大轉(zhuǎn)換能量曲線，如圖 3 所示，結(jié)合樁身完整性指數(shù)，最終選定使用 D35/32 型柴油打樁機作為本工程的施工設(shè)備，并確定樁錘重 3.2t，落距 2.0m，額定能量 114kJ，錘墊厚度適當(dāng)加厚等技術(shù)參數(shù)。
經(jīng)過對試樁初打曲線和復(fù)打曲線進行 CAPWAP 法擬合計算，得到初打承載力標(biāo)準(zhǔn)值 960kN 和復(fù)打承載力標(biāo)準(zhǔn)值 1450kN，地基土?xí)r間效應(yīng)恢復(fù)系數(shù) 1.51。圖 4 為某樁初打、復(fù)打試驗土阻力分布的計算結(jié)果，可見樁側(cè)土阻力和樁端土阻力在初打后 28d 均有不同程度的提高，樁端的復(fù)打土阻力明顯高于初打土阻力，這與地基土恢復(fù)有關(guān)，可以預(yù)見隨著時間的延長土阻力還會略有增長。
圖3：樁身最大壓、拉應(yīng)力及傳遞能量曲線 圖4 ：初打、復(fù)打試驗土阻力 R 分布計算結(jié)果
4 新的檢測程序
對混凝土預(yù)制樁的檢測長期以來一直是在樁打入地下一定休止期后，采用低應(yīng)變動力試驗進行樁身完整性檢測和靜力載荷試驗或高應(yīng)變動力試驗確定單樁極限承載力。然而，通過檢測我們發(fā)現(xiàn)，打入樁樁身質(zhì)量問題主要出在接樁處的焊口開裂，承載力問題主要出在焊口開裂過大造成上下兩節(jié)樁閉合過程中需要很大的沉降，或者是樁尖沒有落到持力層上使承載力降低。顯然，這些問題都是出在施工過程中。雖然可以通過成樁后的動力檢測發(fā)現(xiàn)問題，但往往為時已晚，采取進一步補救措施是相當(dāng)困難的。因此筆者認為這種檢測程序應(yīng)該更新。
有了本文介紹的打樁監(jiān)控試驗，不僅可以有效地解決上述問題，同時也使我們對打入樁進行測試時提出新的檢測程序，即在實際工程中根據(jù)場地工程地質(zhì)條件選擇有代表性的試樁進行打樁監(jiān)控試驗和復(fù)打試驗（或靜載試驗）。通過試驗得到打樁控制標(biāo)準(zhǔn)，同時還可及時發(fā)現(xiàn)施工中可能存在的問題，避免樁身破損或焊口開裂。在靜動對比及地區(qū)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)初打承載力和地基土?xí)r間效應(yīng)系數(shù)準(zhǔn)確地推算出不同休止期單樁極限承載力。這樣，工程樁施工時，可以監(jiān)測結(jié)果作為依據(jù)指導(dǎo)施工；施工完成后無需或少量地進行基樁檢測工作，不但保證了工程質(zhì)量，而且減少了工程費用。
4 結(jié)束語
打樁監(jiān)控試驗在打樁過程中進行實時監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以得到豐富的信息，并及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，控制和指導(dǎo)施工過程，保證樁身完整性；通過對實測數(shù)據(jù)進行 CASE 法和 CAPWAP 波形擬合法計算推算不同休止期的單樁極限承載力。這樣可大大提高施工質(zhì)量，降低工程風(fēng)險及工程費用。
然而打樁監(jiān)控試驗還存在一些經(jīng)驗問題，比如不同樁型不同工程地質(zhì)條件下的地基土?xí)r間效應(yīng)系數(shù)等問題，還需作大量的靜力試驗和復(fù)打試驗。
