桩基及低应变检测技术应用

摘要：桩基作为建筑物的基础形式之一，越来越多的受到设计部门重视，它与其他基础形式相比具有一定的优越性，作者根据多年经验，总结了一些个人观点，仅供同行参考。

关键词：桩基、优越性、经验

前言：与其他基础形式相比所具有的优越性：

1.适应性强：可以适用于各种复杂的地质条件，可承载不同类型的建筑物；

2.承载力大：桩基可通过自身对力的良好传递性，把深层持力层的承载力通过桩身传递到承台，使原有地基承载力以几倍至数十倍的提高；

3.抗震性能提高：与天然地基相比可有效预防剪切力对建筑物的危害；

4.机械化程度高：先进的科技及机械设备的应用，使建筑物的现代化程度不断提高。

· 一、桩基是一种极为有效、安全可靠、应用面广的基础形式。作为许多建构筑物的基础形式，如何选用桩基，使其优点全面发挥，现介绍如下：

1、按成桩方法分为预制桩和灌注桩；

预制桩及预制管桩是指在进场前已经预先制作成型，到场后主要以锤击、振动或静压方式把桩沉入地下至设计标高。

灌注桩是指现场以机械或其他方式成孔后，安放钢筋笼并浇筑混凝土的成桩过程,实际工作过程中，又有沉管灌注桩、钻冲孔灌注桩、人工挖孔桩等多种工艺。

2、不同成桩方法，桩体对桩周扰动程度是不同的，按成桩是桩土之间关系又可分为挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩：

2.1挤土桩是指各种打入、压入、振入桩，如打入、压入预制方桩、预应力管桩、沉管灌注桩。在各类桩的成桩过程中，桩周土被挤密压缩变形，土层受到严重扰动，桩周土原始结构遭到破坏而影响到桩的受力性质，但是如果桩型选用得当，挤土桩所提供承载力要远远大于非挤土桩和部分挤土桩。

2.2部分挤土桩是指钢桩、钢板桩、预钻孔打入桩等，这类桩在成桩过程中，对桩周土扰动较轻，桩的受力性质没有明显改变。

2.3非挤土桩是指人工挖孔桩、泥浆护壁钻孔桩等，这类桩在成桩过程中把与桩体积相等的土排除，对桩周土有轻微扰动，摩阻减小。但成孔过程直观，有利于质量控制。

3、按桩受力功能不同分为抗压桩、抗拔桩、水平受荷桩：

桩受力为上部结构传来的荷载的桩叫抗压桩，具体因受力不同又分为摩擦桩、端承桩；主要承受竖向上拔荷载，受力主要靠侧摩擦力承担；水平受荷桩主要承担水平方向荷载，如基坑护坡桩、体育场斜拉钢索下基桩。

4、按材质分为木桩、钢筋混凝土柱、钢桩、组合桩几种。

· 二、那么桩是如何受力的呢：

在竖向受压荷载作用下，桩顶荷载由桩侧摩擦阻力和桩端阻力共同承担。但二者发挥时间和程度是不同的，受荷初始阶段，首先桩身上部受压缩使桩土产生相对位移，桩侧面受到桩周土向上的摩擦阻力，荷载由已发挥的侧阻承担，随荷载加大，桩身压缩量和位移量增大，桩侧阻力由上至下逐渐发挥至最大，之后增加的荷载全部由桩端阻力承担，桩端阻力达到极限值后，位移迅速增大平衡破坏，这时的荷载就是桩的极限承载力。从桩的承载机理上看桩土的相对位移是侧摩阻力发挥的先决条件，不同类型的土对桩体的侧摩阻力是不一样的，与粘性土的位移为5-10毫米、与砂土的位移为10-20毫米。而成桩效应也会影响侧摩阻力因为不同的施工工艺会改变桩周土体的应力的原始分布，挤土桩对桩周土体有挤密和重塑作用、非挤土桩因为孔壁侧向应力解除出现应力松弛现象，这就会增大或减小侧摩阻力的大小。同侧阻一样，桩端阻力的发挥也需要一定量的位移，而且这个位移量大于极限侧摩阻力对应的位移量。持力层的选择是决定承载力高低的关键，即便是摩擦桩，持力层的选择也会影响到后期沉降量的大小，由上所述，桩的承载力大小主要由桩侧、桩端土的物理性质决定，但与桩长桩径成桩效应密不可分。据此设计部门可以根据土层的分布特性，合理选择各设计参数以及施工工艺，有效的发挥桩的承载力，节约工程造价。

那么桩的设计及合理选型就更加重要，既要考虑使用上可靠、技术上合理、造价上经济，还

要根据土层分布，现场施工实际情况综合考虑多种因素，在以下几种条件下，选用桩基础较为合适：

1.上部土层较软，而在软土下有较好土层或岩层作为持力层的。

2.上部结构很重，天然地基无法提供所需承载力的。

3.需要较大水平荷载的。

4.要求严格控制不均匀沉降的。

5.结构下土体易受冲刷侵蚀的。

6.无法使用天然地基的特殊基础。

而在桩基施工过程中，由于施工难度大，人员素质差异，造成质量问题较多针对几种主要桩型，容易产生以下问题：

·沉管灌注桩：可分为振动沉管、锤击沉管及振动冲击沉管灌注桩，它们都是采用活瓣桩尖或混凝土桩尖或铸铁桩尖，将桩管沉入土中达到设计标高后，放入钢筋笼，灌入混凝土，边振动边拔管形成灌注桩。主要容易产生的缺陷有：

1.拔管速度太快导致沉管桩出现缩径、夹泥、断桩等缺陷，特别是在饱和淤泥或流塑状淤泥质土层中，控制拔管速度更为重要。

2.锤击或振动沉管过程中，振动力以弹性波传播方式在桩周土体中衰减消散，由于挤土作用，容易将初凝的邻桩振断。

3.桩间距离过小，打桩过程中挤土作用会造成桩间土隆起将邻桩拉断。

4.对于有承压水的砂层，之间存在粘土夹层，浇筑混凝土后，由于承压水作用，易沿未凝固的桩身向桩顶冒出形成断桩。

5.当桩尖质量不好，退入桩管内拔管时卡在桩的中部，使混凝土不能灌注到桩底形成吊脚桩。

6.活瓣桩尖，在桩底有透水层时，易造成桩尖处混凝土强度低。

·钻孔灌注桩：分为干作业螺旋成孔灌注桩和水下灌注桩两种，因近几年采用的超流态灌注工艺使螺旋成孔灌注桩解决了塌孔及孔底虚土问题，也大大提高了单桩抗压承载力。我们着重介绍水下灌注桩易发生的问题：

1、浇筑过程必须连续进行，一旦间断造成导管内混凝土凝固，后续混凝土无法灌注，这时只好拔管，泥浆进入导管造成断桩。

2、泥浆护壁配合比应按不同土层不同配置，否则会造成孔壁坍塌。

3、导管埋深控制不当也会造成断桩。

·人工挖孔灌注桩：优点是设备简单、无噪声、成孔直观。但如控制不当也会出现以下问题：

地表有渍水，使护壁坍塌，土体失稳。

对桩长较大而且未按规定使用导管、溜槽灌注的挖孔桩容易产生桩身离析。

·既然存在如此多的缺陷可能，那么发现和避免缺陷发生的方法——低应变反射波法就更为重要。

1、反射波法

·基本原理：一般我们可以将桩视为一维弹性杆，当在桩顶施加一脉冲力，就会有应力沿桩身传播，遇到波阻抗（ρAC）变化处形成波阻抗界面，产生反射波和透射波。当反射波与入射波同相位，则反射为缺陷类反射，如缩径、离析、夹泥等。当反射波与入射波反相位，则反射为良性反射，如扩径。

·锤击及能量控制：对不同长度，不同强度，不同材质的桩基础使用的锤是不同的。一般桩长越长选用的锤头应该越软，桩长越短，选用锤头越硬，我们根据不同情况可供选用的锤头主要有钢锤、铝锤、尼龙锤、橡胶锤等。

·传感器选择及安装：传感器是感受桩身信号的第一感官系统，因此传感器是否合适将直接影响测试结果。近期我们主要选用的传感器有高灵敏度加速度传感器（灵敏度1000pc/g）和速度传感器。传感器应垂直安装，位置一般在钢筋笼内远离锤击点为好，与桩头连接方式以软连接为好，耦合剂可选用凡士林、黄油等。避免因硬连接产生高频寄生震荡。为绝缘，可在传感器底部贴上胶布，然后涂抹黄油，黄油应涂抹均匀并尽量的薄，不得有气泡。

·信号采集与处理：在信号采集时，为提高检测精度，应提高时间分辨率，也就是提高采样频率，但由于仪器采样点数限制，选择采样周期是要注意让桩底反射在这个采样周期之内。这样我们就可以判别出：

完整桩：时域、频域曲线排列规则、均匀、整齐，桩底反射信号明显，频谱图上只有整桩的特征频率，平均波速也正常。

(图二)

断桩：是指桩身断裂，应力波主要在桩身断面以上反射，整桩信号不明显，时域、频域曲线规则，而计算桩长小于设计桩长,

（图三）

缩颈桩：检测桩长与设计桩长一致，但在桩底反射之前某时段有与入射波相位相同的反射。

（图一）

结合多年检测实践证明，检测理论与现场检测环境是决定检测结果的两个基本条件，但如果不了解当地地质条件，及成桩过程中相关不利条件，那么检测结果也是不会准确反映桩基质量的。