對于基樁完整性檢測而言,高應(yīng)變、低應(yīng)變測試的理論背景是基本一致的,都是基于一維波動理論的行波運算。現(xiàn)場測試方法其實也比較類似,即在樁頂施加一瞬態(tài)激勵,產(chǎn)生的應(yīng)力波沿樁身傳播,遇到阻抗Z變化的部位同時產(chǎn)生反射與透射,通過在樁側(cè)或樁頂安裝傳感器,可接收因阻抗變化產(chǎn)生的反射波,依據(jù)反射波到達的時間、幅度和相位等來推斷或計算出樁身阻抗變化的部位和程度。
那么這兩種測試方法在樁身完整性檢測方面有什么區(qū)別呢?
由于沖擊能量的區(qū)別,一般情況下,高應(yīng)變所用的錘重是低應(yīng)變錘重的幾百上千甚至幾千倍,從而對樁土之間的相互作用,如高應(yīng)變樁與土之間會發(fā)生相對位移和塑性變形,低應(yīng)變樁身處于初始彈性變形范圍內(nèi),樁身的應(yīng)力水平也處于不同的限值下。
另外,在樁身完整性分析時,高應(yīng)變試驗定量地考慮了土阻力波的影響,低應(yīng)變試驗則無法定量考慮土阻力波的影響,這是兩者在分析方法上的差別,從而對樁身完整性的判定造成不同的影響。我們將從以下幾個方面來討論一下。
完整性系數(shù)的定義
假定一變阻抗的樁,在截面的上部阻抗為Z1,下部為Z2,則樁身的完整性系數(shù)的一般性公式即為:(注:在高應(yīng)變測試中,由于涉及到具體的行波運算,此公式有一定的修正)
其中:
ρ一一樁身材質(zhì)密度
C一一彈性波速
A一一樁身截面積
E一一樁身彈性模量
Z一一波阻抗
β一一樁身完整性系數(shù)
預(yù)制樁的完整性測試
由于預(yù)制樁的樁體是在工廠預(yù)制好的,一般情況下,如無特殊的設(shè)計要求,樁身的材質(zhì)都是比較均勻穩(wěn)定的。所以預(yù)制樁的完整性缺陷一般是裂縫、多節(jié)樁接頭不良等,反饋到計算公式中即為A的變化。
沖擊脈沖在沿樁身傳播過程中,由于樁側(cè)土阻力、樁身材料阻尼的散射作用,脈沖能量都將逐步地衰減,但沖擊能量的高低,以及沖擊的頻率構(gòu)成都將影響脈沖的衰減速度。
在高應(yīng)變試驗中,沖擊能量高,樁周土往往處于塑性階段,沖擊能量被土阻力消耗的比率較低,沖擊脈沖的大部分能量可傳至樁底。同時,高應(yīng)變脈沖作用時間長,主頻較低,因材料阻尼、土阻尼消耗的能量比率也較低。對于多節(jié)預(yù)制樁,高應(yīng)變脈沖穿透接樁縫的能力也很強,可將能量傳至樁的中、下部。
而低應(yīng)變試驗中,沖擊能量低,樁周土處于初始彈性階段,沖擊脈沖能量被土阻力消耗的比率較高。脈沖作用時間短,主頻高,因此在土與樁身中消耗的能量大大增加。沖擊能量在樁身中迅速衰減,對于樁側(cè)摩阻力較大的長樁,難以傳至樁底;且多節(jié)預(yù)制樁的接頭也會給低應(yīng)變脈沖的能量傳遞造成明顯障礙,沖擊脈沖難以到達樁的。
另外,在實際工程中,即使接縫完全張開,接口處也非完全自由。總有少部分應(yīng)力波可以透過,在高沖擊能量下,有些接縫甚至能再次閉合,從而使得入射波能更輕易的透射向下傳播,而無上行反射波。而低沖擊能量下,透射波比較難穿透,從而上行的反射波較強。
總結(jié):
從以上分析可以得知,在評價預(yù)制樁接縫缺陷的時候,高應(yīng)變與低應(yīng)變各自的優(yōu)劣點整理如下:
(1)由于沖擊能量高,能量消散的比率小,所以高應(yīng)變對檢測深部缺陷有一定的優(yōu)勢。但同樣由于高應(yīng)變過高的沖擊能量,入射波透過性比較好,可能會漏判一些小缺陷。
(2)在滿足應(yīng)力波可以到達樁底覆蓋整個樁身或可到達某缺陷位置的前提下,低應(yīng)變要比高應(yīng)變來得敏感。
(3)低應(yīng)變試驗沖擊能量沿樁身傳播過程中的衰減作用比高應(yīng)變試驗更明顯,且預(yù)制樁的接縫也會使低應(yīng)變脈沖的穿透性大大降低,因此,低應(yīng)變試驗對長摩擦樁,尤其是多節(jié)預(yù)制樁的中下部缺陷不敏感。所以對預(yù)制樁,采用低應(yīng)變試驗檢測樁身完整性時宜在沉樁后較短時間內(nèi)進行,以減少土阻力波對沖擊脈沖的衰減作用。這與灌注樁低應(yīng)變檢測時對樁身混凝土齡期與強度需滿足一定的要求有區(qū)別。
(4)低應(yīng)變不能定量考慮土阻力波的計算,且在信號分析時,用起始脈沖的幅值近視替代缺陷處入射脈沖幅值,而由于能量衰減的影響,缺陷處入射脈沖的幅值一般是要小于起始脈沖的幅值,所以低應(yīng)變?nèi)菀纵p判或低估缺陷的嚴重程度。這是低應(yīng)變檢測的一個比較大的局限。
(5)為了兼顧低應(yīng)變與高應(yīng)變完整性檢測的優(yōu)點,國內(nèi)的檢測專家提出了一種中應(yīng)變的概念,即將錘重提高到幾百公斤級,并進行了一些試驗驗證。不過由于沒有大量的實踐數(shù)據(jù)的支撐,還在探討階段,且配套的檢測設(shè)備如傳感器等也需做一定的適配。
灌注樁的完整性測試
灌注樁的完整性測試要比預(yù)制樁更麻煩一些,因為灌注樁的樁身材質(zhì)的穩(wěn)定性一般情況下比預(yù)制樁要差很多,即截面積A與材質(zhì)密度ρ的變化更加明顯,A的變化影響可參照第二部分,那么ρ的變化在低應(yīng)變與高應(yīng)變的檢測中有什么不同反應(yīng)呢?
密度的變化最直接的影響就是阻抗變化處混凝土的強度產(chǎn)生了差異,由于樁身混凝土本構(gòu)關(guān)系的非線性,樁的波阻抗是應(yīng)力水平的函數(shù),樁身完整性系數(shù)β與試驗應(yīng)力水平相關(guān),對混凝土灌注樁,當樁身在某一截面上、下混凝土強度存在差異時,隨著應(yīng)力水平的增大,該截面上、下波阻抗差別增大,從而導(dǎo)致β系數(shù)增大。
總結(jié):
從應(yīng)力水平與樁身混凝土強度的角度考量,低應(yīng)變與高應(yīng)變在檢測灌注樁測試的差異性整理如下:
(1)低應(yīng)變的沖擊能量比較小,應(yīng)力水平值對完整性β值的影響較小或無影響。
(2)在使用高應(yīng)變做樁身完整性測試時,在激發(fā)極限承載力的測試條件下,更加合理一些。因為我們更多考量和關(guān)心的是在極限承載力下的樁身完整性信息。