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摘要：本文作者结合工程实例，通过对某商住楼基桩动测波形畸形异常进行分析。采用低应变法检测基桩静载荷试验及机理分析，论述了旋挖灌注桩检测在工程应用中应注意的问题。
关键词：旋挖灌注桩；低应变法检测；静载荷试验；机理分析；
0.前言：
在桩基检测中，桩基的检测方法有直接法和半直接法，直接法包括静载试验（抗压、抗拔、水平）和钻芯法;半直接法包括低应变、高应变和声波透射法。而这些方法中由于低应变检测法具有检测速度快、费用低和检测覆盖面广的优点，已成为基桩完整性检测中最为广泛的应用方法。
1．工程概况
某商住10#楼位于其该市内东区，场地为新近填土，拟建筑物为18层全框架结构住宅楼，桩基础采用旋挖灌注桩，总桩数99根，桩径φ1000mm、φ1200mm，桩长约7．1m~17．8m，桩端持力层为中等风化泥岩，桩身材料采用C25砼。该场地自上而下土质情况见表1：
表1场地自上而下土质情况
序号 土质 厚度
1 填土 松、湿、层厚(1．7-3．5)m
2 粘土 层厚(0．90~3．3)m
3 淤泥 层厚(0~3．0)m
4 淤泥质粘土 层厚(0~3．4)m
5 粉质粘土 层厚(0~4．8)m
6 强风化泥岩 揭示厚度(1．8~6.0)m
7 中风化泥岩 最大揭示厚度为3．6m
2．低应变法检测
受甲方委托，我单位分别于2009年5月13日和21日对该商住10#楼桩基进行基桩低应变法检测，两次共检测99根桩，均发现该工程大部分基桩动测波形均畸形异常，见图1，时域波形直达波畸形异常，有些桩还没有明显桩底反射。现场据监理和施工人员反映，该工程桩顶标高比原设计标高提高了50cm，可能因桩顶浮浆未砍到位，桩顶浅部砼密实度较差所致，建议继续砍桩50cm后再检测，但我们查看了桩头，其砼密实度与强度均较好，不可能是砼强度低引起的波形异常；另了解到该工程桩水泥用量比正常多用了百来吨。
77
图13#、21#、45#、52#、63#、77#桩低应变动测波形
3．静载荷试验
该工程选了三根工程桩做静载荷试验，三根桩静载荷试验在最大试验荷载下累计沉降均小于10mm，详细结果见表2。
表2静载荷试验情况
桩号 桩径（mm） 桩长（m） 最大试验荷载（kN） 最大试验荷载下桩顶沉降（mm） 残余变形(mm) 单桩竖向极限承载力(kN)
21 1000 13.00 3500 8.23 6.36 ≥3500
45 1200 12.00 3850 8.36 5.63 ≥3850
63 1000 12.15 3500 8.79 6.39 ≥3500
根据静载荷试验情况，认定该工程的承载能力均良好，排除了不良桩身缺陷引起的动测波形畸变因素。
4．现场开挖验证
根据动测、静载资料分析，我们建议委托方对典型波形的3#、52#、77#桩进行开挖验证。开挖结果情况如下：3#桩开挖深度2．00m，发现桩顶面以下0．5m至1．2m处呈东西两侧大鼓肚状况，最大鼓肚直径约1700mm，1．2m以下恢复正常桩径；63#桩开挖深度2．6m，发现桩顶面以下1．8m至2．5m处呈南侧大北侧小鼓肚状况，最大处桩径达1600mm，2．5m以下恢复正常桩径；77#桩开挖深度3．6m，发现桩顶面以下2．4m至3．2m处呈单边葫芦状鼓肚，最大处直径达1500mm，3．2m以下恢复正常桩径。
5．综合分析
该工程施工桩型为旋挖桩，从现场观察和地质资料分析，土层表层为新近填土，层厚1．7~4．8m，其主要成份为砂质粘性土、淤泥、建筑垃圾及少量生活垃圾，第二土层为粘性土。
由此可见，由于该场地表层为新近回填土，结构较松软，旋挖桩施工过程虽然进行了泥浆护壁，但灌注水泥量大大超量，桩身浅部充盈度较大，故造成桩身浅部扩径、鼓肚等畸变现象。
根据动测、静载、开挖资料综合对比，21#静载试桩动测曲线与52#桩类似，均有微弱桩底反射(见图1)，45#静载试桩动测曲线判为Ⅰ类桩，63#静载试桩动测曲线表现为浅部轻微缺陷，为Ⅱ类桩。
综合考虑以上因素，认为该工程基桩其动测波形畸变、比较复杂，反映浅部大鼓肚、磨菇状、葫芦状扩径等桩身畸形，但不影响桩的使用承载力，桩身质量仍为合格桩。
6．机理分析
众所周知，低应变法的理论基础以一维线性弹性杆件数学模型为依据，并要求受检桩必须符合等截面、均匀、各向同性、连续细长弹性杆件的基本假设，假定桩在变形时横截面保持为平面，沿截面有均布的轴向应力。否则会造成波形畸变。
当桩浅部存在有严重缺陷时，由于缺陷以上桩段变成短桩，可将其视为单一刚性质量块mb，在缺陷位置处引入弹簧kb和阻尼器ηb，并假定下部的桩段静止不动，采用“质—弹—阻”模型可求其自身响应。
其方程解为：
式中：
fm为严重缺陷诱发的固有频率，实测信号表现为单一的大低频和较高幅值。
由于受桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素的影响，应力波从桩顶传至桩底再从桩底反射回桩顶的传播为一能量和幅值逐渐衰减过程。若桩身截面阻抗多变或变幅较大，往往应力波尚未反射回桩顶甚至尚未传至桩底，其能量已完全衰减或提前反射，致使仪器测不到桩底反射信号。
当灌注桩桩身截面呈渐变或突变，在阻抗突变处的一次或二处反射常表现为类似明显扩径、严重缺陷或断桩的相反情形，如果单纯凭动测波形判断结果，易造成误判。如本工程扩径桩型表现为相反的缩径波形。
对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。
3．认识体会
该工程已竣工，沉降察建筑物最终沉降量很小，也无其它异常情况发生，说明基桩检测结果的判断是客观的，通过本工程的分析，得出如下几点体会：
（1）桩顶测试条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。因此，要求受检桩桩顶的砼质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。灌注桩应凿去桩顶浮浆和松散、破损部份，并露出坚硬的砼平整表面。
（2）对于大直径旋挖灌注桩，用低应变法检测时，由于受尺寸效应的影响，应多增加检测点数量，每个检测点有效信号数不宜少于3，通过叠加平均提高信噪比，剔除干扰信号，确保采集到有效信号。
（3）对于大直径旋挖灌注樁，用低应变法检测时，不能单纯地只凭就动测曲线形态就判断其结果，特别当动测曲线出现异常时，应综合考虑其它各因素，如现场环境情况、施工情况、地质条件、静载试验结果，必要时应采取现场开挖、钻孔取芯检测、静载荷试验等有效的验证手段，以免误判。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：旋挖灌注桩；低应变法检测；静载荷试验；机理分析；
0.前言：
在桩基检测中，桩基的检测方法有直接法和半直接法，直接法包括静载试验（抗压、抗拔、水平）和钻芯法;半直接法包括低应变、高应变和声波透射法。而这些方法中由于低应变检测法具有检测速度快、费用低和检测覆盖面广的优点，已成为基桩完整性检测中最为广泛的应用方法。
1．工程概况
某商住10#楼位于其该市内东区，场地为新近填土，拟建筑物为18层全框架结构住宅楼，桩基础采用旋挖灌注桩，总桩数99根，桩径φ1000mm、φ1200mm，桩长约7．1m~17．8m，桩端持力层为中等风化泥岩，桩身材料采用C25砼。该场地自上而下土质情况见表1：
表1场地自上而下土质情况
序号 土质 厚度
1 填土 松、湿、层厚(1．7-3．5)m
2 粘土 层厚(0．90~3．3)m
3 淤泥 层厚(0~3．0)m
4 淤泥质粘土 层厚(0~3．4)m
5 粉质粘土 层厚(0~4．8)m
6 强风化泥岩 揭示厚度(1．8~6.0)m
7 中风化泥岩 最大揭示厚度为3．6m
2．低应变法检测
受甲方委托，我单位分别于2009年5月13日和21日对该商住10#楼桩基进行基桩低应变法检测，两次共检测99根桩，均发现该工程大部分基桩动测波形均畸形异常，见图1，时域波形直达波畸形异常，有些桩还没有明显桩底反射。现场据监理和施工人员反映，该工程桩顶标高比原设计标高提高了50cm，可能因桩顶浮浆未砍到位，桩顶浅部砼密实度较差所致，建议继续砍桩50cm后再检测，但我们查看了桩头，其砼密实度与强度均较好，不可能是砼强度低引起的波形异常；另了解到该工程桩水泥用量比正常多用了百来吨。
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图13#、21#、45#、52#、63#、77#桩低应变动测波形
3．静载荷试验
该工程选了三根工程桩做静载荷试验，三根桩静载荷试验在最大试验荷载下累计沉降均小于10mm，详细结果见表2。
表2静载荷试验情况
桩号 桩径（mm） 桩长（m） 最大试验荷载（kN） 最大试验荷载下桩顶沉降（mm） 残余变形(mm) 单桩竖向极限承载力(kN)
21 1000 13.00 3500 8.23 6.36 ≥3500
45 1200 12.00 3850 8.36 5.63 ≥3850
63 1000 12.15 3500 8.79 6.39 ≥3500
根据静载荷试验情况，认定该工程的承载能力均良好，排除了不良桩身缺陷引起的动测波形畸变因素。
4．现场开挖验证
根据动测、静载资料分析，我们建议委托方对典型波形的3#、52#、77#桩进行开挖验证。开挖结果情况如下：3#桩开挖深度2．00m，发现桩顶面以下0．5m至1．2m处呈东西两侧大鼓肚状况，最大鼓肚直径约1700mm，1．2m以下恢复正常桩径；63#桩开挖深度2．6m，发现桩顶面以下1．8m至2．5m处呈南侧大北侧小鼓肚状况，最大处桩径达1600mm，2．5m以下恢复正常桩径；77#桩开挖深度3．6m，发现桩顶面以下2．4m至3．2m处呈单边葫芦状鼓肚，最大处直径达1500mm，3．2m以下恢复正常桩径。
5．综合分析
该工程施工桩型为旋挖桩，从现场观察和地质资料分析，土层表层为新近填土，层厚1．7~4．8m，其主要成份为砂质粘性土、淤泥、建筑垃圾及少量生活垃圾，第二土层为粘性土。
由此可见，由于该场地表层为新近回填土，结构较松软，旋挖桩施工过程虽然进行了泥浆护壁，但灌注水泥量大大超量，桩身浅部充盈度较大，故造成桩身浅部扩径、鼓肚等畸变现象。
根据动测、静载、开挖资料综合对比，21#静载试桩动测曲线与52#桩类似，均有微弱桩底反射(见图1)，45#静载试桩动测曲线判为Ⅰ类桩，63#静载试桩动测曲线表现为浅部轻微缺陷，为Ⅱ类桩。
综合考虑以上因素，认为该工程基桩其动测波形畸变、比较复杂，反映浅部大鼓肚、磨菇状、葫芦状扩径等桩身畸形，但不影响桩的使用承载力，桩身质量仍为合格桩。
6．机理分析
众所周知，低应变法的理论基础以一维线性弹性杆件数学模型为依据，并要求受检桩必须符合等截面、均匀、各向同性、连续细长弹性杆件的基本假设，假定桩在变形时横截面保持为平面，沿截面有均布的轴向应力。否则会造成波形畸变。
当桩浅部存在有严重缺陷时，由于缺陷以上桩段变成短桩，可将其视为单一刚性质量块mb，在缺陷位置处引入弹簧kb和阻尼器ηb，并假定下部的桩段静止不动，采用“质—弹—阻”模型可求其自身响应。
其方程解为：
式中：
fm为严重缺陷诱发的固有频率，实测信号表现为单一的大低频和较高幅值。
由于受桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素的影响，应力波从桩顶传至桩底再从桩底反射回桩顶的传播为一能量和幅值逐渐衰减过程。若桩身截面阻抗多变或变幅较大，往往应力波尚未反射回桩顶甚至尚未传至桩底，其能量已完全衰减或提前反射，致使仪器测不到桩底反射信号。
当灌注桩桩身截面呈渐变或突变，在阻抗突变处的一次或二处反射常表现为类似明显扩径、严重缺陷或断桩的相反情形，如果单纯凭动测波形判断结果，易造成误判。如本工程扩径桩型表现为相反的缩径波形。
对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。
3．认识体会
该工程已竣工，沉降察建筑物最终沉降量很小，也无其它异常情况发生，说明基桩检测结果的判断是客观的，通过本工程的分析，得出如下几点体会：
（1）桩顶测试条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。因此，要求受检桩桩顶的砼质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。灌注桩应凿去桩顶浮浆和松散、破损部份，并露出坚硬的砼平整表面。
（2）对于大直径旋挖灌注桩，用低应变法检测时，由于受尺寸效应的影响，应多增加检测点数量，每个检测点有效信号数不宜少于3，通过叠加平均提高信噪比，剔除干扰信号，确保采集到有效信号。
（3）对于大直径旋挖灌注樁，用低应变法检测时，不能单纯地只凭就动测曲线形态就判断其结果，特别当动测曲线出现异常时，应综合考虑其它各因素，如现场环境情况、施工情况、地质条件、静载试验结果，必要时应采取现场开挖、钻孔取芯检测、静载荷试验等有效的验证手段，以免误判。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。