低应变桩基检测概论

袁忠明

摘 要：低应变动力检测技术作为一种日渐成熟的桩身质量检测方法,正在被越来越多地应用到工程实践中。本文简要地介绍了桩基工程质量检测的重要性、检测的主要技术手段和低应变桩基检测的原理方法，仪器情况以及资料处理等内容。

关键词：桩基检测  低应变动测  信号处理

混凝土工程质量检测的重要性

    随着建筑事业的发展 , 混凝土工程在地基基础中占据着重要的地位,在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口、码头、海上采油平台、核电站工程以及地震区、软土地区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区和冻土地区的地基处理中得到广泛地应用。其中，桩基工程除因受岩土工程条件、基础与结构设计、桩土体系相互作用、施工以及专业技术水平和经验等关联因素的影响而具有复杂性外 ,桩的施工还具有高度的隐蔽性 ,发现质量问题难 ,事故处理更难。因此 ,桩基检测工作是整个桩基工程中不可缺少的环节 ,只有提高桩基检测工作的质量和检测评定结果的可靠性 ,才能真正地确保桩基工程的质量与安全。因此，快速准确地检验工程桩的质量,对于满足日益增长的混凝土工程的需要显得尤为重要。

桩基工程质量检测的主要技术手段

随着经济的发展，桩基工程已成为岩土工程领域非常兴旺的一支，与此相关的桩基检测技术也得到了长足的发展。目前，国内外关于桩基检测技术的发展是多方面的。有的是对传统技术进行改造，有的是对一些发展中的技术进行规范使用，也有的是开发新的技术或新的手段，这些都毫无例外地预示着桩基检测技术又进入了一个全盛的发展期。

　　目前，国内外使用较普遍的桩基检测技术主要有：静载试验法、声波透射法、低应变动测、高应变动力试桩法、动静法或拟静力法几种，近些年来，这几种方法都有了不同的发展。

低应变法检测混凝土质量的历史，检测桩基础工程的历史与发展情况

低应变动测自70年代初A.G.Davis以及J.Stenbach和E.Vey分别提出的机械阻抗法和应力波传播法以来得到日益广泛的应用和发展。80年代,国内外同时又相继研究和发展了各种击振形式的动力测桩法。低应变动力检测技术发展速度很快,在国际上基本占据了桩身完整性检测方法的主导地位,低应变法的理论基础是一维线弹性杆件模型。而低应变动力检测技术作为一种可靠的桩身质量无损检测技术,由于其检测速度快,检测成本低等因素,正在被越来越多的工程作为首选的桩身完整性检测方法。

低应变法检测桩基础的原理方法以及仪器情况

一、低应变法检测桩基础的原理方法

低应变法是使用小锤敲击桩顶，通过粘接在桩项的传感器接收来自桩中的应力波信号，采用应力波理论来研究桩土体系的动态响应，反演分析实测速度信号、频率信号，从而获得桩的完整性结论。其检测示意见图1。在实际应用中，低应变动测法以其方便、快捷及能解决实际问题的优点而被广泛接纳。

在桩基完整性检测时，把桩简化为一维的弹性直杆，桩受力时保持等截面，忽略桩的内外阻尼和桩侧土阻力，桩周土对桩的约束和支撑作用，集中由桩底的一个弹簧代替。从桩体截出dx段，由达朗贝原理可推导出波动方程：

式中：

Vc———应力波传播速度，Vc=；

λ———质量密度；

E———弹性模量；

u———质点位移。

对波动方程可用分离变量法和行波法求解。利用行波法对波动方程求解:

u=f(c-Vc t)+g(x+Vc t) (式2)

其物理意义是波动解由2个行波迭加而成，一个是以(x-Vct)为分量的f波，另一个是以(x+Vct)为分量的g波，这2个波均以不变的波速沿x 轴传播。用力棒敲击桩顶，产生一种沿桩身向下传播的应力波，如桩身没有缺陷，此应力波传至桩底再反射回来至桩顶；如桩身有缺陷则入射波在缺陷位置有反射波和透射波，反射波直接返回桩顶，透射波继续传播至桩底再产生反射波返回桩顶。混凝土强度等级与波传播速度关系见表1。

假定桩为一维线弹性杆,其长度为L,横截面积为A,弹性模量为E,质量密度为ρ,弹性波速为C(C2 ＝ E/ρ),广义波阻抗为 Z=AρC;推导可得桩的一维波动方程:

δ2μ/δt2 ＝ C2δ2μ/δX2 － R/ρA

假设桩中某处阻抗发生变化,当应力波从介质(阻抗为Z1)进入介质Ⅱ(阻抗为Z2)时,将产生速度反射波Vr 和速度透射波Vt。令桩身质量完好系数β = Z2/Z1,则有:

Vr ＝ Vi ×(1 －β)(/1 ＋β)

Vt ＝ Vi × 2/(1 ＋β)

当在桩顶施加瞬时外力F(t)时,桩内只存在下行波,波在不同的波阻抗面上发生反射,可推导出应力波在桩体中旅行的时间及其对不同结构介质桩的纵波速度:

C ＝ 2L/ Δ t

式中:L 为桩长;Δ t 为桩底反射波到达时间。当桩身存在缺陷或断桩时,各界面反射波使曲线变得复杂,应认真分析波形,并选出可靠的缺陷反射时间tx,缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定,缺陷位置根据反射波的时间tx 由下式确定:

Lx ＝ C × tx/2

式中:C 为同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值;Lx 为缺陷部距桩顶的距离。

二、仪器情况

1、传感器

    传感器的选择：传感器是低应变动测中最基本的重要测试元件之一，它直接与被测桩相连接，将机械振动参量换成电信号。它的性能参数的好坏，直接影响到转换电信号的数据是否真实反映本身的反射信息。因此，必须满足以下条件：一是动态范围很宽；二是频率响应范围要宽；三是失真度要小；四是传感器性能稳定；五是受非振动环境影响较小。

传感器的安装：传感器安装应用化学黏结剂或石膏等黏结，使黏结尽量薄，不应采用手扶式；必要时可采用冲击钻打孔安装方式，但传感器应与桩顶面紧密接触。安装时必须保证传感器与桩顶面垂直。

2、激振

激振点：宜选择在桩顶中心部位。

激振方式：应通过现场敲击实验，选择适合重量的激振力锤和锤垫，宜用宽脉冲获取桩底或桩下部缺陷反射信号或用窄脉冲获取桩身上部缺陷反射信号。

激振点与传感器应远离钢筋笼的主筋，减少外露钢筋对测试信号产生干扰信号。

3、仪器参数设置

仪器参数设置包括采样间隔、采样点数、增益、模拟滤波、触发方式等。

4、信号采集

根据桩径大小，围绕桩心沿桩身对称布置2~4 个检测点，每个检测点记录的有效信号数不宜少于3 个，以便通过叠加平均提高信噪比和实验曲线的可靠性。应力波反射波法所收集的较好波形应该是：多次锤击的波形重复性好；波形真实反映桩的实际情况，完好桩桩底反射明显；波形光滑，不应含毛刺或振荡波形；波形最终回归基线。

对不同检测点要进行多次实测，如果发现信号一致性较差时，应分析原因，增加测点；如果发现信号失真或产生零漂或信号幅值超过测量系统的量程时，应重新测试。

5、信号处理

1） 完整桩

一般完整桩在时程曲线上的特征为: 波形规则,波列清晰, 桩底反射波明显, 易于读取反射波到达时间, 如图2 所示。

图2: 该桩为桩径1000mm、桩长30.3m 钻孔桩,设计混凝土强度等级为C30, 桩身完整, 波速为3700m/s, 在8m 以前曲线下降, 为粉砂土较好地层反应。桩底反射与入射同相, 桩底反射明显。

2） 缩颈( 夹泥) 桩

缩颈处截面积变小, 波阻抗减小, 应力波遇到缩颈会产生与入射波振动方向同相的反射, 波形比较规则, 波速一般正常。一般能看到桩底反射, 若缩颈部位较浅, 缩颈还会出现几次反射, 但若缩颈程度严重, 则难以看到桩底反射。

图3: 该桩为直径426mm、桩长18m 的沉管桩。钢筋笼长6m, 设计承载力标准值320kN。经测试, 桩身6.5~7m 处存在缩径或局部离析, 系因成桩时拔管太快所致, 说明钢筋笼底部存在缺陷, 但桩底基本可见, 属Ⅱ类桩。

图4: 该桩为直径1500mm、桩长44.5m、C25 的钻孔桩。测试时发生在2m 处同向子波反射幅值高于初至波, 并有后继的多次反射, 检测人员误认为是传感器黏结引起的正常振荡, 判为Ⅰ 类桩。经证实在2.2m 左右桩身严重缺陷( 夹泥) , 应属于Ⅲ 类桩, 后凿去桩头缺陷上部段, 重新接桩。

3）扩径桩

扩径桩在曲线上反射波形较为规则, 扩径处的反射波呈反相, 或先反相后续同相, 也可能有多次反射, 一般情况能看到桩底反射。需要注意的是, 如果桩周土较硬, 波形曲线上也会出现类似于扩颈的反射波, 如图5 所示。

图5: 该桩直径1200mm、桩长18.3m、C25。在灌注桩成桩过程中, 由于孔口偏位校正, 使桩浅部扩大造成扩径。实际灌入混凝土33m3( 设计仅22m3) 。充盈系数为1.5。从测试波形中可见2~5m 严重扩径, 并出现多次反射。取芯验证桩身完整, 混凝土强度满足设计要求。

4） 离析桩

由于离析部位的混凝土松散, 对应力波能量吸收较大,形成的缺陷子波不规则, 后续信号杂乱, 而且频率较低, 计算得到的波速偏小, 一般不易见到桩底反射, 如图6 所示。

图6: 该桩直径1000mm、桩长45m, 护筒直径1200mm、护筒长2.0m, 设计混凝土强度等级为C30, 在测试中发现14.8m 处明显呈低频同相反射, 属离析反映, 无法见到桩底反射, 经钻孔检测, 发现均存在离析面。

5） 断裂桩

由于在断裂处波阻抗的突变, 在时程曲线上的反应有以下三种情况: ①上部断裂往往呈高频多次同相反射, 反射波幅值较高, 衰减较慢; ② 中部断裂反映为多次同相反射,缺陷的反射波幅值较低; ③深部断裂波形反映下, 类似摩擦桩桩底反射, 但计算的波速明显高于正常桩的波速, 如图7所示。

图7: 该桩直径700mm、长54.9m、C25。由于地下室开挖, 造成部分桩断裂, 桩头倾斜。经测试, 曲线呈等距多次同相反射。开挖后发现在1.6m 处断裂。

图8: 该桩为直径377mm、桩长16m 的沉管桩。设计混凝土强度等级为C20, 钢筋笼长度4.5m, 承载力450kN。经测试在1.4m 处有强的同相多次反射, 衰减慢, 无桩底反射, 判为2.8m 处断。开挖检查发现2.85m 处断裂。属机械开挖时受损。

6） 脱焊虚焊等不良焊接桩

预制桩和管桩的焊接缺陷及成桩时受损造成的焊接问题, 表现为有同相反射, 严重时难以见到下部位较大的缺陷或桩底反射。如图9、图10 所示。

图9: 该桩为PHC 管桩, 桩径600mm, 壁厚10cm, 桩长53m( 10+10+10+11+12) , 在5.09m 处有同相反射, 判为11m 处, 说明第一节打裂, 焊接点脱焊。

图10: 在9.72m 处有明显的同相反射, 判为21m处, 说明第一节完好, 第二节由于打桩使焊接点打脱裂, 造成同相反射, 下部无信号。

7） 桩头疏松

桩头疏松或强度偏低的桩, 测试结果无法反映桩的完整性, 曲线反应为入射波波峰较低、脉冲较缓, 而且后续波形呈低频, 此类现象均属桩头强度偏低, 如图11 所示。

图11: 该桩为直径800mm、桩长33m 的钻孔桩,C25, 通长钢筋笼。初测时桩头疏松, 曲线呈低频型, 明显反映为弹性波呈慢速传播。经开凿桩头松散, 凿去1~2m 后, 再进行复测, 结果桩身完整, 曲线正常, 为Ⅰ类桩。

低应变动测的优点以及局限性

桩基低应变动测是以先进的基桩测试系统和应力波分析理论为基础,具有一定的可靠性,利用它对桩基础进行质量检测是可行的。但工程中经常出现对桩基检测结果的误判，致使工程技术人员对该种检测方法的可靠性提出质疑。低应变动测存在明显的局限性，采用低应变动测检测嵌岩桩或地质条件复杂的灌注桩，由于桩身本身的特点及围岩的影响，检测条件不符合低应变动测，检测桩基中将桩作为一维弹性杆件的假设条件，使得实测波形不能完全反映桩身的实际情况。在实测中，桩侧土阻力特别是动土阻力对应力波传播的影响非常大，表现为：

1导致应力波迅速衰减；

② 影响缺陷反射波幅值；

③ 产生土阻力波，因此了可测桩的长度，根据实测经验，可测桩长在5～50m，桩基直径在1.8m 之内较合适。当然，超过50m 的桩长的桩也有得到桩底反射信号的经验，但对局部缺陷、深部缺陷反映不敏感、受地质变化影响较大等特性。

因此对特殊地质和施工条件下桩基的检测应慎重处理。另外，低应变桩基检测中缺陷的大小还不能定量分析，只能靠经验判断，国外有关单位已经初步开发出一些低应变波形拟合分析方法，这是完整性检测中继续研究的重点。

然而，通过对现场信号的采集和室内分析中常见的问题与一些应用实例的分析，我们可以看出在低应变检测是一种快速、经济、可行的实用方法，采用它来检测工程桩基的完整性及评定混凝土强度是一种行之有效的方法。只要对检测的每一个环节加以严格的控制，如：        ①重视工程桩现场检测的每个环节, 如桩头处理、传感器安放、激发点位置、激发能量、激发脉冲宽度以及仪器参数的设置等；②重视地层、地质环境,特别是地层界面对应力波传播的影响, 避免误判；③重视施工记录分析, 对施工中的混凝土充盈系数、灌注时间、钢筋笼规格、拔管速度、预制桩接头焊接工艺、最终压力值以及锤击数等均应进行仔细分析。并且在工程桩基础检测中, 结合其他检测方法( 如超声波检测法、钻芯法等) , 综合分析判断,方可进一步保证提高桩基检测结果的真实可靠性，最终达到保证工程质量的目的。

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