背景
近年來,速度快、耗資低的動測法作為一項新的檢測技術已在全國各地的樁基檢測中得到廣泛套用,動測技術的普及推廣促進了對該技術的原理、方法和可靠性的試驗與研究,同時也引起了地基基礎工程界的科研、質檢、設計和施工人員的高度重視。但是在實際套用中,有時會由於檢測方法選擇不當、動測人員素質不高、測試設備或被測對象不滿足動測的要求、缺乏較為完善的或正確的分析軟體以及法規不健全等原因,在工程中產生一些誤判。造成人們對各種動測法的使用範圍,特別是對它們的可靠性評價褒貶不一。為了更好地為工程建設服務,必須加速高質量動測設備軟硬體的研製,提高整個樁基動測行業的技術水平,使我們這個樁基動測技術套用大國真正成為一個樁基動測技術領先的國家。為此,有必要對樁基動測技術研究現狀及發展動向作進一步探討和研究。
發展歷程
樁基動力檢測技術是土動力學領域的重大課題,是保證基礎工程質量的重要手段之一。20世紀80年代以來,隨著我國工程建設的迅速發展,樁基礎作為土木工程中一種常用的基礎形式在高層建築、鐵路、公路、港口碼頭、電力、海上石油鑽井平台、水利工程等領域得到了廣泛的套用,尤其是一樁一柱大直徑灌注樁的採用,對成樁質量的可靠性提出了更高的要求,因此引起了科研、設計、施工、質檢和政府管理部門的高度重視,促進了對樁基檢測技術原理、方法和可靠性的試驗研究,使樁基檢測在各方面都得到了飛速發展。
樁的動力測試最初是利用能量守恆定律和牛頓定律,根據打樁時測得的貫入度與打樁所消耗的能量建立關係式,推算樁的極限承載力,這種關係稱為動力打樁公式。而近代樁的動測技術是以應力波理論為基礎發展起來的。1931年伊薩克斯(D.V.I2saacs)首先提出樁頂受到衝擊後,衝擊能量是以波動形式傳至樁底,因此可用一維波動方程來描述。1938年福克斯(E.N.Fox)作了許多簡化假定後,對打樁過程進行了粗略的分析,得出了用於打樁分析的波動方程解答。1960年史密斯(E.A.Smith)發表了“打樁分析的波動方程”這一著名論文,從而使波動方程分析方法進入實用階段。隨後在1970年高貝爾(G.G.Goble)等發表了“關於樁承載力的動測研究”一文。1975年發表了“根據動測確定樁的承載力”的研究報告。樁基動測技術研究在我國始於20世紀70年代。1972年,湖南大學的周光龍提出了樁基參數動測法,對開創我國樁的動測方法的研究,起了積極的推動作用。1978年東南大學的唐念慈套用波動方程法進行了渤海12號平台鋼管樁的動力測試獲得成功。自20世紀80年代以來,機械阻抗法、水電效應法、共振法、錘擊貫入法等10餘種方法相繼問世,並在各地紛紛進行試驗研究和套用。
樁基動力檢測技術包括高應變法和低應變法。採用足夠大的重錘敲擊樁頂,使樁頂產生足夠大的沉降量(通常樁身的應變數級為10),以使樁周土的極限阻力充分發揮,這便是高應變法;而作用在樁頂上的能量較小,僅能使樁土間產生微小擾動,這類方法稱為低應變法。目前高應變法主要有動力打樁公式法、波動方程法、Case法、曲線擬合法、錘擊貫入法和動靜法等。低應變法主要有機械阻抗法、應力波反射法、球擊法、動力參數法和水電效應法等。
分類
1、靜力試樁法（靜載荷試樁法）
靜載荷試樁法是指對樁基進行靜力原型測試。其具體做法是按一定要求將荷載分級加到試樁上，每級荷載維持不變直至樁頂的下沉增量達到某一規定的相對穩定標準，然後繼續加下一級荷載，當達到規定的終止試驗條件時便停止加荷，再分級卸荷直至零載。
優點：真實地反映了樁基礎的工作狀況，是確定承載力的最直接最可靠方法，為常用的承載力確定方法。
不足：檢測周期長，費時、費力、費用昂貴，且為有損檢測，因此試樁數量受到限制，抽樣率低、試驗結果代表性差。另外，在對承載力較高的工程樁檢測時，施工前往往要指定靜載試驗樁位，因而樁基檢測不能做到隨機抽樣，使檢測結果的利用價值降低。
2、動力試樁法
原理：利用重錘衝擊樁頂產生的瞬時衝擊力，使樁周土產生塑性變形，通過安裝在樁頂兩側的力感測器和加速度感測器實測樁頂力和速度的時程曲線，並用應力波理論分析確定樁的極限承載力以及檢測樁身結構完整性。
（1）高應變法
優點：分為凱斯法和凱普維普法即波形擬合法。其中，凱斯法的優點是可以快速地對單樁極限承載力和樁身結構的完整性作出估計，實現現場的實時分析，同時可用來對打樁過程實行監測和監控，對預製打入樁特別適合，波形擬合法的優點是精度高。同時，採用先進的微電子儀器及信號處理技術,具有設備輕便、快速、費用低廉等優點。
不足：分析計算複雜,需要經過專業工程技術人員進行信號擬合分析。
（2）低應變法
優點：低應變法是通過樁的動剛度和動靜對比係數來求得樁的承載力。它的優點是設備簡單、檢測速度快、費用低廉, 可以大面積檢測。
不足：必須依賴靜載試驗以求出動靜對比係數,精度較差。
3、射線法
屬於放射性元素能量衰減法中的一種，是根據射線穿過混凝土時，混凝土質量的差異將會產生不同的輻射效應，以此來檢驗樁基的質量。該法所用儀器設備複雜昂貴，又要在樁中預埋管道，操作時易危及人的安全。
4、超音波法
是以彈性波理論為基礎，採用由壓電材料製成的聲-電換能器在不同位置發射和接收聲波，測量並記錄聲波穿透介質所需要的時間和波形，計算聲波的傳播速度，結合聲波幅度、頻率等特徵來分析介質的性質。聲波透射法分辨能力很高，可以從微觀角度分析介質的聲學性質和結構。並具有檢測儀器輕便、測試結果準確、可靠等優點。但該法要在樁中預埋兩根以上的管道，不能隨機抽樣實驗，做不到普查，並且檢驗被限定在兩側管間的一定範圍內，這些使超音波法的使用範圍受到限制（見示意圖常用聲管樣式）。
5、電探法
電探法是根據物探中的點法勘探原理提出來的，作為樁基檢測還只是初步探索性的實驗，和實際套用還有很大距離。
研究現狀
總的來說,目前的樁基動測具有費用低、快速、輕便、適用於普查等優點,這大大促進了樁基動測技術的研究和套用。然而,由於樁基動測技術在基礎理論、測量分析技術、工程套用等方面有很大難度,因此該技術尚存在著不少問題有待於進一步的研究與探討:
(1)就高應變來說主要有測試誤差、與樁土相互作用機理不符時可能引起的偏差、樁未被“打動”時的誤差等問題。
測試誤差主要來源於對力的測量。由於混凝土本身的非線性(E=dб/d≠常數)。低應力水平的模量高於高應力水平下的模量,所以衝擊應力水平愈高,實測力信號中的非線性成分也愈大,如有時低應變測試得到的波速比高應變測試得到的波速高就屬於這種情況。預製樁在測試前經受的錘擊數很多,混凝土的非線性在很大程度上得以消除,因而預製樁的測試誤差比灌注樁要低。此外,由於灌注樁的混凝土標號低、施工條件影響較大、安裝感測器的樁側表面不平整和錘擊偏心等原因,均可產生混凝土的塑性變形而導致測力誤差。
而與樁土相互作用機理不符時可能引起的偏差指的是在波形擬合中,樁側靜阻力靠樁與土之間的剪下變形傳遞,假設樁側土不隨樁一起運動,則樁端與岩土介質的相互作用與刺入破壞模式相近。對嵌岩樁、大直徑樁和擴底樁等一些超範圍使用的情況,將出現明顯不符的情況。如嵌岩樁在嵌固段的岩體可能隨樁一起運動,大直徑樁特別是擴底樁樁端的破壞模式與刺入破壞模式不同。況且,目前所採用的土模型無非是理想彈塑性模型(CAPWAPC模型)或在其基礎上考慮了土的加工硬化或軟化效應(FEIPWAPC程式),並不能準確地表征樁土相互作用的複雜機理。
最後,對於樁未被“打動”時誤差,此情況常出現在以端承樁為主的嵌岩樁、支撐在密實砂卵石層的擴底樁或大直徑樁。擴底樁靜載試驗得到的極限承載力對應的沉降常高達40～60mm甚至更大,而動載試驗要使樁頂產生影響10mm的位移就不易了。對於細長樁,土的卸載特性參數由於樁的提前回彈而在土阻力回響區段內和載入參數發生藕合,進而對部分發揮的靜阻力的計算產生不利影響。另外,與此對應的還有一個“輻射阻尼”問題,輻射阻尼的使用對那些灌入度不大的樁的承載力的提高幅度是有限的,某種意義上講是對樁未被打動低估承載力的一種修正;而在場被打動的場合,可能出現高估承載力的危險。
(2)低應變法的主要問題。樁的低應力波反射法是建立在一維彈性波理論基礎上的,套用中存在這樣或那樣的問題,但對樁—土相互作用的問題,它不象高應變那樣突出,至少不存在樁—土系統的塑性回響問題。但在實際使用中也有一些問題值得注意,如超範圍使用的應力波反射法的尺寸效應問題。另外,應力波反射法還有其它一些局限性,如漸變擴徑後的相對縮徑容易誤判為真實縮徑,大擴徑處的二次反射容易誤判為縮徑;漸變縮徑或離析且範圍較大時,波形缺陷反應不明顯;預製樁的裂隙或接頭反射的判別尺度很難掌握,有時誤判為嚴重缺陷等。因此在實際套用低應變法檢測樁身結構完整性時一定要對這種方法有一個正確的認識。
發展動向
新的世紀,樁基動測技術應向高質量、規範化、標準化的方向發展。除了不斷開發和改善動測分析的硬體設備外,更應不斷完善軟體分析和理論研究等。具體來說,應在以下幾方面取得突破:
1、樁基動測理論
目前樁基動測的理論模型依然是波動理論和動力參數理論,隨著人們對樁土作用機理研究的不斷深入,以下三方面可能成為樁基振動理論研究的突破點:
（1）樁、土材料力學特性以及它們之間相互作用
模型的研究 樁土材料的本構關係及樁土界面相互作用的力學機理是樁基動測法的基本依據。大量的研究表明,因為現有的動測理論對樁周土模型考慮過於簡單化,不能真實揭示樁與土的相互作用規律,得到的結論有局限性。實際上,樁周土阻力以及樁土之間的相對位移為非線性關係。如今,在混凝土材料和
土的本構關係方面已經取得較大發展,可以考慮在分析中引入一些先進的模型對樁基動測進行理論模擬,如土的(粘)彈塑性模型(劍橋模型、邊界面模型、結構性模型、顆粒流模型等),可以考慮土的應變硬化、軟化及結構性破壞的影響,這符合土的實際本構關係。在分析中可以把樁、界面和樁周土視為一個系統,採用有限元的方法分析,這比常規的一些分析模型有很大的進步。當然由於有限元方法比較複雜,分析計算成本較高,在實際推廣套用中,可以首先考慮在一些大型的工程項目中套用。
（2）樁土作用阻尼特性的研究
由於樁埋置於岩土中,樁和岩土間的相互作用是樁基承載力得以發揮的重要因素;且樁與岩土系統的動力回響是大阻尼動力回響,而在波動方程中沒有有效地考慮樁與岩土介質間的阻尼效應,這是波動理論的最大缺陷,由此造成測試結果的準確度不高。實際上樁與岩土組成的系統是一個多自由度、摩擦阻尼材料等組成的一個複雜系統。用等效粘性阻尼來模擬樁與岩土阻尼特性已不符合該系統的動力特性,用此阻尼特性來模擬描述樁土的動力回響已難以真正把握岩土體系的動力回響。因此,對樁土作用阻尼特性的研究已成為研究樁土系統動力回響理論模型的關鍵。
（3）樁周土成層特性和各向異性的振動研究
樁的振動問題的解析理論還很不成熟,很多問題有待於進一步的研究。其中一個很重要的方向就是發展合理考慮樁周土的成層特性和各向異性的振動理論,土的各向異性包括微觀結構的變化引起的各向異性和由應力體系引起的各向異性,土的各向異性對土的強度影響較大,這一點對於高應變動測法尤為重要。
2、分析方法
國內外已有人開始將神經網路系統用於樁基動測,有些單位甚至已編制了相應的應用程式;也有單位將邊界元、無限元、三維有限元,甚至邊界層理論用於樁基動測之中,但是這種分析目前仍停留在分析探索狀態,尚不能步入成熟套用階段。
3、樁基動測結果的信號分析處理
信號分析包括兩個內容:一是信號處理技術,二是信號分析結果的正確解釋,兩者密切相關。
(1)由於樁土系統的複雜性和外界噪聲的影響,從而使有用信號難以直觀把握,因此採用良好性能的信號分析技術,提取有用信號是最終正確判斷樁身特性的基礎之一。在經典譜分析中主要採用了FFT變換、倒頻譜分析及希爾伯特變換。對於不同特性的信號,分別選用不同的分析技術,就會改變信號分析的難易。因此,進一步改善信號分析技術是樁基信號分析的重點研究方向。目前,人們已意識到經典譜分析技術難以完全適應信號分析的要求,從而提出了時序分析技術的套用問題。時序分析法系指現代的、非傳統的時間序列方法。同傳統的時序法不同,該方法不是直接利用觀測數據來獲得數據的統計特性,而是對觀測數據擬合一個參數模型,再利用這個參數模型對觀測數據及產生這一數據的系統進行分析、研究與處理。在目前普遍使用的儀器設備中,並沒有時序分析技術的應用程式,有待進行研究開發。
(2)信號分析的另一個關鍵問題是結果的解釋,這和採用的理論模型密切相關,不同的理論模型對相同的測試結果可能產生完全不同的解釋。即使採用相同的理論,在不同的地質條件、不同的樁土系統下,相似信號分析結果的解釋也不一致。問題主要存在於不完整樁上。這樣使人們對樁基動測的結果產生懷疑,因此,如何智慧型化地解釋動測樁信號是還沒有解決的問題。對於儀器使用者而言,信號分析技術知之甚少,如何使使用者方便地使用和掌握動態測樁技術,分析時減少人工干擾,也是人們關心的一個問題。因此設計出智慧型化分析系統也是研究的一個課題。
4、建立專家系統
由於樁土系統複雜,特別是土性變異非常大,使人們不得不積累大量的土參數測試經驗,才能較好的描述樁土系統,較準確地測出樁基質量。再好的測試和分析方法,如果不與現場樁土的實際情況和實際經驗相結合,也很難得出正確的判斷結果。樁土特性的描述、表達和利用必須採用專家系統的方法。在建立專家系統時應注意以下內容:
(1)在建立專家系統時應注意經驗的積累不是一家或一個人的經驗,而應集思廣益,薈集並具體分析各家經驗、多人經驗,否則,那樣的“專家系統”無論在理論上還是在工程套用中均是不完善的。在建立專家系統的過程中,也可以採用在INTERNET上開展論壇的形式,各抒己見,以利信息的共享和迅速傳遞。另外需強調的是專家系統的特殊性,不同地區的專家系統具有不同的知識和經驗的積累。某一地區的專家系統,拿到另一地區去套用,應特別小心,否則專家系統的知識是無效的,對檢測數據的解釋是不正確的。
(2)由於專家系統的複雜性和特殊性,同一地
區應廣泛蒐集樁基靜載試驗的完整資料、地質分布情況及土的物理力學指標等資料。資料的完整性是專家系統好壞的先決條件,如果資料不完整,則專家系統就會有先天性的缺陷。因此,專家系統的適用條件應詳細給出。
(3)由於樁土系統的複雜性,其系統工作的機制是非線性多參數共同作用,故參數的確定及表述具有一定的模式。不同條件具有不同的模式,多參數的非線性模式識別是不可缺少的,對此採用人工神經網路將是一個較好的辦法。
5、提高動測人員素質,規範動測市場
樁基動測是土動力學、波動理論、振動理論、動態力學測試、數值分析、計算機、結構動力學、高等土力學、土力學與地基基礎等學科交叉的一項技術,並且要與樁基工程實踐密切結合。因此,對於每一個動測人員,僅掌握動測儀器的操作是遠遠不夠的,必須具備較高的理論水平和豐富的實踐經驗。故未來的動測人員必須進行深層次的技術培訓。為了確保動測法檢測樁基的高質量,減少誤判帶來的不必要損失,動測檢測者們一方面應增進學術交流,使廣大工程技術人員就目前的理論和套用水平取得共識,另一方面要建立、健全動測技術標準、規程和嚴格的人員考核制度,規範動測市場,確保動測技術的發展步入健康、有序的軌道。
