简析桩基低应变检测应用

简析桩基低应变检测应用

彭及跃吴玉松

东莞市交业工程质量检测中心523125

摘要：随着我国国民经济与工程建设的快速发展，桩基检测作为隐蔽工程验收的重要环节，对保证整个工程建设的安全稳定起着十分重要的作用。采用低应变反射波法判断桩身质量，具有检测速度快、经济，便于全面普查桩的质量、判别桩的完整性和质量缺陷等特点，是一种值得推广的方法。但由于桩基础属于隐蔽工程，而且其造价较高，所以施工质量监控及检测就成为保证工程质量的重要环节。而桩基检测应用比较广泛的方法是静载荷试验与动测法试桩。

关键词：桩基础；检测技术；原理；低应变

引言：随着我国城市化进程的加快，建筑事业得到了快速发展，桩基作为重要的基础形式，得到了广泛应用。桩基工程施工隐蔽性高，一旦发生质量问题，很难进行检测，且非常难以处理，影响桩基工程施工质量的因素很多，如基础与结构设计、岩土工程条件、工程技术人员施工水平、桩土体系的相互作用等。可见，加强桩基施工质量的检测，是确保整个桩基工程顺利验收的关键，桩基施工质量不达标，必然会对桩基工程的质量与安全使用造成重大影响。然而由于桩基施工质量影响因素众多，因此，如何快速有效检测工程桩的施工质量，一直是困然土木工程界的一大难题，为此世界各国很多研究人员都致力于寻找解决这个问题的方法。

一、低应变法桩基检测简介

低应变法检测桩基时，操作简便、快捷，并能较好地反映桩基质量，因此得到了广泛的应用。桩基采用低应变法进行质量检测时，应预先在桩顶设置传感器，然后用小锤敲击桩顶，使桩产生应力波信号，进而传递到传感器中，这样就可以根据应力波理论研究桩土体系的动态响应，通过反演分析得到桩基的频率信号和速度信号，最终获得关于桩基质量的分析结果。

应力放射波法假设桩基为一维截面的匀质杆件，具有连续弹性，其沿桩身传播的应力波不受周围土体的影响，它以应力波在桩身中的传播反射特征作为研究对象，从而寻找桩基质量问题。检测时，先用小锤敲击桩顶，施加一个瞬态振动，从而在桩内激发应力波，大部分应力波将在桩内传播，这是因为周围土体与桩体对应力波的抗阻性能相差太大，当波长L>>桩径D，应力波波长λ>>D时，可以将桩看做一维杆件，从而可以运用一维杆波动方程计算应力波在桩内的传播。当桩身存在缺陷时，缺陷部位就会形成波阻抗差异界面，垂直入射的应力波传递到缺陷部位时，就会产生透射波和反射波，其中透射波将会继续向下传播，而反射波又会沿着桩身回传到桩顶，这样就可以根据桩顶的传感器接收到的反射波的振幅、相位、频率等特征，同时结合施工记录、地层资料等，准确判断桩的性质。

二、低应变检测桩基的原理

2.1、基桩低应变动力检测反射波法的基本原理是在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接受放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级。还可根据波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。

2.2、低应变反射波法检测桩体完整性的基本模型反射波法是建立在一维波动理论的基础上的。假设桩为质地均匀、各向同性的一维线弹性体（桩的长度远大于直径，且入射波波长入大于桩的直径），当用手锤在桩项敲击时，产生的应力波在桩身传播满足一维波动方程。在推导桩的纵向振动方程时，作以下基本假设：a、桩身视为一维杆件；b、材料均匀，视为弹性材料；c、桩身横截面上应力分布均匀，波阻抗可以被识别。

三、低应变法的检测步骤

3.1前期准备工作

①进场前应预先搜集工程的成桩工艺、桩的直径、桩的长度、成桩时间、桩的强度等信息。

②进场后，不要急于测试桩基质量，而应该充分了解桩的施工质量，观察、敲击桩头，检查桩头是否干燥、紧固、含有泥浆等。

③确定桩头达到设计标高后，将其清理干净，确保桩头平整无破顺，此外，为方便传感器的安装，需要用砂轮打磨出3～4个直径8～10cm的光面。

3.2采集野外数据

①低应变法实际上就是利用反射波来检测桩的质量，而反射波法效果的好坏与振源有很大关系，也就是说，不同的锤击方式会形成不同的振源，从而造成差异巨大的曲线。通常情况下，要想获得桩底反射信号，大锤适合于大桩，小锤适合于小桩，而长度较大的桩则适合于脉冲宽的击振源。进行现场检测时，应该具体情况具体分析，采取相应的击振方式，对于疑点较多的桩，可以更换传感器的位置进行对比分析，也可以使用多种击振方式综合分析，从而得出正确的结论。

②作为接受桩身反射信号的关键设备，传感器性能的好坏对波形的采集质量有着决定性作用，因此，选用合适类型的传感器就显得尤为重要，一般而言，选用轻型传感器和电缆，有利于跟踪响应，此外，传感器的安装也很重要，务必使桩体与传感器紧密接触，不要用手按传感器，使用黄油可以有效提高传感器的安装质量。力棒容易产生二次冲击从而引起信号失真，为此，使用力棒敲击桩顶时，不能损坏桩顶，最好对现场击锤人员展开相应培训，从而掌握敲击质量。

③选择信号。前几根桩的检测可以为整个桩身的检测提供一个大体印象，便于预测后面桩体的检测质量，从而提高检测效率。桩身质量不理想时，可以就地重复检测，记录两次以上的检测结果，进行对比分析。

3.3数据的分析处理

应力反射波法具有很多优点，如费用小、方便快捷、测点广等，成为当前使用的较为有效的桩基质量检测方法，但是自身也存在一些缺陷，其应用也受到了一定程度的限制。现就影响钻孔、挖孔桩缺陷的因素进行分析。

①完整桩。完整桩无波阻抗变化界面，只有当波传到桩底时才产生反射。完整桩中时域波形的规律衰减，有一次或几次明显的桩底反射信号，反射信号相位与入射波相位相同，时间间隔相等。

②桩缩颈。缩颈类桩主要缺陷有缩颈、离析、夹泥等。当缩颈桩的缩颈处截面积变小时，即存在波阻抗变化界面，这时在时域中能见到明显的缩颈反射和桩底反射信号，在缩颈处有时还会出现几次反射信号（无底反射），其时间间隔基本相等，而反射信号相位与入射波相位相同；离析桩类桩在桩身离析处也存在波阻抗变化界面。在时域中，有明显的离析反射特征，其波幅陡降，波频也有所降低。离析处的反射波波形不规则，相位与入射波相同，但一般情况下反射不明显；夹泥类桩在桩基的夹泥处有波阻抗变化界面，在时域中，不仅反射波相位与入射波相位相同，而且反射波还会出现等时间的同向反射，波幅会出现畸变。

③桩发生断裂时的反射。在断裂处，桩身混凝土不连续，波阻抗变小，在时域中出现一次或几次明显的反射信号，其时间间隔相等，与完整的短桩相当，其波形曲线的波峰较为明显，而柱底信号却不明显，可以根据桩的平均波速求得具体的断桩位置。

④扩颈引起的反射。在时域中，扩颈桩有波阻抗变化界面，在扩颈处反射波相位与入射波相位相反，波频不变。

四、低应变法的缺陷

低应变法在其使用过程中仍然存在一些问题，这也影响了其进一步的推广应用。

4.1低应变法依赖于静动对比系数，为此需要根据不同的桩型条件和不同的地质条件建立静动对比系数数据库，工作量巨大。

4.2难以定量分析。目前低应变法只能依靠工作人员的经验进行判断，为此，研究人员一直致力于开发低应变波形的拟合分析方法，目前取得了一些进展，但是仍然需要进一步的开发研究。

4.3实际测量过程中，应力波的传播会受到桩侧土阻力尤其是动土阻力的影响，具体如下：

①缺陷反射波的幅值受到影响；

②应力波衰减速度大大增加；

③土阻力波的出现，限制了桩可以测量的长度。一般桩基直径不超过1.8m，可测桩长度为6-60cm时测量效果较好。

结束语：

低应变法比较适合于桩基的检测，但是需要意识到的是各种桩基检测方法都存在一些缺陷，为此，我们仍然需要不断努力，不断提高桩基质量检测的准确性。

参考文献：

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[5]冯建东.谈桩基检测中的低应变检测技术.山东工业技术.2015.01.