低应变法在检测桩身完整性中的应用

高攀　王晶

【摘 要】 桩基属于隐蔽工程，为保证其安全可靠，质量检测是十分必要的。桩身完整性检测技术，通过几十年的发展，其检测方法取得了很大进步，由原来的单一性向现在的多样性转变。由于该方法检测快捷、简便易于操作和掌握。现在已经越来越广泛地运用于工程建设领域。以下介绍了如何运用低应变法检测桩身完整性。

【关键词】 低应变法 桩身 完整性

1 基本原理

应力波反射法的测试原理是：在桩顶实施锤击后，激起桩顶质点的位移，该位移在桩身中传播而形成应力波。应力波在下行途中，如果遇到阻抗减小（夹泥、离析等），则产生上行的拉伸波。拉伸波到达桩顶面时，将导致桩顶面质点向下的速度增加；反之，如果遇到阻抗增大（扩径等），则产生上行的压缩波，该波运行至桩顶面将导致质点向下的速度减小；应力波运行至桩端，由于阻抗剧变，而产生更为强烈的上行压缩波，即桩端反射。

所有这些信息都被安装于桩顶的加速度传感器接收，正是根据初始激振与桩端反射之间的时间差T及桩长L来推求应力波在桩身介质中的传播速度C=2L/T。根据速度曲线的上下起伏，来判断桩身的阻抗变化情况，再根据反射波到达桩顶的时间及波速来推求阻抗变化的位置，并判断缺陷的程度，判定桩身完整性类别。

2 低应变法现场检测技术

2.1 测试仪器和设备

2.1.1 测量响应系统。

建议低应变动力检测使用的测量响应传感器采用压电式加速度传感器。实践表明，除采用小锤硬碰硬敲击外.速度信号中的有效高额成分一般在2000Hz以内。但这并不等于说，加速度计的频响线段达到2000Hz就足够了。这是因为，加速度原始信号比积分后的速度波形中要包含更多的毛刺，高频尖峰毛刺的宽窄和多寡决定了它们在频谱上占据的频带宽窄和能量大小。当加速度计的频响线性段较窄时，就会造成信号失真。

2.1.2 激振设备。

瞬态激振操作应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫，以获得低频宽脉冲或高频窄脉冲。除大直径桩外.冲击脉冲中的有效高频分量可选择不超过2000Hz。桩直径小时，脉冲可少窄一些。锤头的软硬或锤垫的厚薄和锤的质量都能起到控制脉冲宽窄的作用，通常前者起主要作用。而后者（包括手锤轻敲或加力重击）主要是控制力脉冲幅值。

2.2 测试前的准备

2.2.1 桩头处理。

桩顶条件和桩头处理的好坏直接影响测试信号的质量。测试桩应凿去桩顶浮浆或松散、破损的部分，并露出坚硬的混凝土表面，桩顶表面应平整干净且无积水；应将敲击点和响应测试传感器安装点部位磨平，多次锤击信号重复性较差时，多与敲击或安装部位不平整有关，妨碍正常测试的桩顶外漏主筋应割掉。

2.2.2 测试参数设定：

（1）时域信号记录的时问段长度应在2L/C时刻后延续不少于5ms；幅频信号的频率范围上限不应小于2000Hz；

（2） 设定桩长应为桩顶测试点至桩底的施工桩长，设定桩身截面积应为施工截面积；

（3）桩身波速可根据本地区同类型桩的测试值初步设定；

（4）采样时间间隔或者采样频率根据桩长、桩身波速和频域分辨合理选择：时域信号采样点数不宜少于1024点；

（5）传感器的设定值应按计量检定结果设定

2.3 传感器安装与激振操作

2.3.1 传感器安装应与桩顶面垂直；用耦合剂粘接时，应具有足够的粘接强度。

2.3.2 实心桩的激振点位置应选择在桩中心，测量传感器安装位置宜为庄中心2/3半径处；空心桩的激振点与测量传感器安装位置宜在同一水平面上。且与桩中心联机形成的夹角宜为90度，激振点和测量传感器安装位置宜为装壁厚的1/2处。

2.3.3 激振点与测量传感器安装位置应避开钢筋笼的主筋影响。

2.3.4 激振方向应沿桩轴线方向。

2.3.5 瞬态激振应通过现场敲击试验，选择合适重量的激振力锤和锤垫，宜用宽脉冲获取桩底或桩身下部缺陷反射信号，宜用窄脉冲获取桩身上部缺陷反射信号。

2.3.6 稳态激振应在每一个设定频率下获得稳定响应信号，并应根据桩径、桩长及桩固土约束情况调整激振力大小。根据桩径大小，桩心对称布置2～4检测点；每个检测点记录的有效信号不宜少于3个。

3 检测资料分析与判定

4 检测注意事项

4.1 测试时间

混凝土灌注桩的强度是随其龄期增加而增大。当混凝土强度和弹性模量都达到一定值时，手锤敲击桩头才可能产生应力波，并在桩中传播，如果桩体的弹性模量太小，即使增加锤击能量也难于得到桩底反射信号。所以对于混凝土灌注桩测试，一般应选在桩身达到龄期后进行。

4.2 桩头处理

在现场信号采集工作中，桩头处理的好坏是测试是否能够有效的重要因素，也是测试前需要准备的关键性步骤。桩头应为达到设计标高的有效桩头，必须凿去表面浮浆，暴露出坚硬部分含骨料的混凝土为止，且桩头不能破碎、含水，不能有杂物，并用角向磨光机打磨若干个平整光洁的面，以便安装传感器和有良好的锤击平面。

4.3 传感器的选择与安装

测振传感器是基桩低应变检测中最基本的重要测试元件之一，它将机械振动参量换成电信号，其性能参数好坏直接影响到转换电信号的数据是否真实地反映桩本身的反射信息。

4.4 激振锤与锤击点

低应变法的振源主要由手锤敲击桩面而产生。锤击产生的应力波的差异，对测试信号的质量有极大的影响。锤击脉冲过宽，会掩盖桩身浅部问题；锤击脉冲过窄，会出现应力波弥散。锤击能量过小，就很难将整个桩激振，特别对一些大、长桩，就很难看出桩底反射。锤击时，应尽量保证锤击方向与桩面垂直，以减少水平分量对波形产生的干扰。

4.5 信号采集

信号采集较好的波形应该具有以下特征：①多次锤击的波形重复性好；②波形真实反映桩的实际情况，完好桩桩底反射明显；③波形光滑，不应含毛刺或振荡波形；④波形最终回归基线。不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时，应分析原因并在检测现场及时研究，排除影响测试的不良因素后复测。当随机干扰较大时，可采用信号增强方式，进行多次重复激振与接收。

4.6 场地条件

桩周土对低应变低应变法检测采集波形曲线也具有较大影响，因此，每个检测工地均应进行激振方式和接收条件的选择试验，确定最佳激振方式和接收条件。

4.7 检测信号处理

对桩底反射信号不明显的情况，结合原始波形，适当地对波形进行指数放大，可以确保在桩头信号不被削波的情况下使桩底信号得以清晰地显现出来。为使波形更容易分析判断，经常在波形分析处理时采用到波形的滤波。实际工作中，多采用低通滤波，而低通滤波频率上限的选择尤为重要，因而须注意选择适当的参数。

5 结语

现场测试与分析可知，低应变法在对桩的完整性进行检测时结论较为准确有效，可以满足工程实践的需要。通过此方法的具体分析，我们必须做到严格执行每一个环节，保证低应变法检测基桩完整性的准确性，从而保证工程质量。

参考文献

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[2] 张灿辉，张建林，谢建华.桩身完整性检测的非线性最小二乘优化方法[J]. 应用力学学报.2006.

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