低应变桩基检测有关典型问题探讨

王 刚 阜阳市建设工程质量检测站

1 前言

桩基础施工环境复杂，如机械设备的运行性能、现场地质条件、施工技术等均会对其造成影响，而桩基质量又是上部结构稳定性的决定性因素之一。对此，以合理的方式做好桩基检测工作具有必要性。现阶段的桩基检测方法类型丰富，如声波透射法、低应变反射波发、钻芯法等，考虑到桩基检测结果精确性和结构安全性等多方面要求，工程中常结合多种检测方法，其优势在于各方法可相互验证，更为准确地发现桩基质量问题。

2 低应变应力波反射法原理

通过在桩顶施加激振信号产生应力波脉冲，该应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面（如蜂窝、夹泥、断裂、空洞等）和桩底面时，将产生反射波，检测反射波的传播时间、幅值和波形特征，从而判断桩身完整性。采用瞬态冲击法，通过实测桩顶加速度或速度响应时域曲线，以一维波动理论分析来判定基桩的桩完整性。根据一维波动理论，桩身波阻抗Z由密度ρ、波速c、面积A 组成，即Z=ρcA。当ρ、c、A 三者任一发生变化时，从桩头激发产生的弹性波在此阻抗面均产生反射波，依据桩顶传感器接收到的反射波的相性及相位特征来对桩身的质量进行判别。

3 低应变法无损检测特征信号

低应变法的检测原理是：当桩顶受到一定的瞬时冲击力时，会产生一定的纵向振动的应力波。应力波会从桩顶一直延伸到桩身。当应力波不断向下传播时，不仅会阻碍应力波的传播，而且在遇到变异波时还会引起一定的反射和传播。当反射波传递到桩基础的顶部时，桩基础顶部的传感器装置能够有效地接收反射波并获得相应的动态波形。利用相关仪器可以有效采集和记录反射波。通过对反射应力波特征信息的采集和分析，判断桩基础的质量。在处理过程中，可以通过测试相关的基桩获得不同的应力波曲线。用手锤适当确定桩顶的相关的位置（避免点激），产生一定的F（t）应力波，速度V向下传播；当应力波通过一定的情况改变桩阻抗Z的界面时，如桩体断裂或开裂，地面收缩，混凝土分离膨胀，杂质被清除，应力波向上反射和向下传播，但在桩底仍发生反射。当应力波传播时，加速度传感器会接收一定的信号，通过信号技术形成曲线或一定的频域曲线。时域曲线可以对其不同的情况做出一定的判断和处理，相关技术人员可以根据反馈数据进行判断。

4 低应变检测几种典型问题

4.1 压入或打入预制桩检测常遇到的问题

与其它桩体相比，压入或打入预制桩有以下特点：①压入或打入预制桩会导致桩侧及桩尖土体压密，桩侧桩土相互作用加强，应力波衰减加快；②预制桩外表往往完整，但内部仍有离析、蜂窝现象；③胶接良好桩，胶接处反射波一般较小；④胶接不良的桩，往往只能检测出最先2 个胶接处的胶接情况，甚至只能检测出第1个；⑤桩长径比较大，当有多根桩胶接时，桩底反射难以检测；⑥采用新型接头的预制桩，其胶接处阻抗变化往往产生假缺陷信号。

4.2 瞬态激振设备选用问题

瞬态激振设备应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫，以获得低频脉冲或高频脉冲。锤头软硬、锤垫厚薄和锤质量大小均能起到控制脉冲宽窄的作用。选用瞬态激振设备主要是为控制激励脉冲的宽窄以获得清晰的桩身阻抗变化的反射信号，又不产生明显波形失真或高频干扰；获得较大的信号动态范围而不超载。锤头及锤体质量选择并不需要固定单一形式，可选用工程塑料、尼龙金属材料、硬橡胶材料。本次能力验证计划使用的模型桩规格尺寸较工程桩小，更需要合理使用瞬态激振设备以获得较好的反射信号。

4.2 离析、夹泥与缩径反射波信号的区别

反射波信号与波阻抗变化程度、范围及变化处波速有关，离析、夹泥和缩径都会导致波阻抗减小，但离析、夹泥处波速要低于正常处波速，而缩径处波速一般不会变化，这样，小范围离析、夹泥反射波特征会与较大范围缩径反射波特征相同。离析或夹泥会使整桩平均波速降低，而缩径不会影响整桩平均波速，在实际桩基检测中，若无准确的施工记录，难以将离析、夹泥与缩径区别开来。

4.3 桩头处理问题

桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号质量。对低应变法而言，判断桩身阻抗相对变化的基准是桩头部位的阻抗。桩顶表面应平整干净，确保多次反射信号的重复性较好。本次能力验证计划采用的细石预制模型桩，桩头平整度较好，但仍存在一些细小孔洞，需在测试过程中尽量避开。

4.4 反射波法检测带平台护坡桩完整性的局限性

用检测单桩完整性的分析方法来分析带平台护坡桩完整性尚有一定的局限性，主要是由于：①平台有一定厚度，在平台上敲击，应力波会在平台体多次反射，甚至产生转换波，同时部分波向邻近桩传播；②护坡桩间距一般较小，桩-土-桩相互作用明显；③邻桩的波阻抗变化产生的反射波又会在平台传播，影响待测护坡桩检测信号。

4.5 测试参数设定问题

对于低应变法用基桩动侧仪，测试前应设置工程名称、桩号、桩径、桩长、波速等基本信息，并结合收集到的桩基工程资料酌情设置低通滤波、采样频率、仪器增益、曲线类型等参数，以获得更准确的测试波形。本次能力验证计划在现场测试前已向各参加机构发放作业指导书，提供本次模型桩的设计尺寸参数及计划特点，并且各机构测试的6 根桩中，有1 根是完整桩以便用于波速校准。在现场检测过程中，依然有些机构直接略过参数设置、对测试参数不进行合理调整或仪器提示参数设置不合理而参加人员不会调整等情况。

5 低应变法在桩基检测中的应用

5.1 实验准备

试验开始时，相关人员应做好准备。首先，将实际的待测桩头不断地调整至规定标高。其目的主要是保证试桩的混凝土强度能够满足实际的设计要求。通常试验建议保持在大于15MPa的范围内。同时保持桩顶面干净整洁，并相应清除桩顶面浮渣和杂质，保证混凝土表面得到充分的裸露。同时还应将桩顶外露的妨碍检测的钢筋进行切断。确保在竖向状态下，桩顶和桩轴的基础确实牢固；在相关的预应力管桩低应变试验前，如果桩头凸缘与桩体混凝土紧密相连，则不需要进行第二次处理，否则将对桩头进行清洗。

5.2 数据的解释

根据野外采集数据和地质资料，采用小波变换或者高通滤波等方法对波形进行滤波处理，去除干扰波，然后读取反射波纵波的初至时间，将时间除以2 再乘以声波的速率，即可推断出现异常的位置。在实际工程中，波形的解释十分复杂，由于桩的完整性可能存在着不止一个缺陷，周围土体的边界存在干扰等，造成波形的解释十分困难，因此有必要对不同桩基缺陷的低应变波形进行解译。

5.3 低应变法的技术要点

进行低压试验前，应预先处理实测桩的顶部，确保桩顶部无水，并在裂缝或凹凸处，以便预先应用混凝土，保证与混凝土底部良好连接。传感器的设置点和位置应尽可能远离主配筋，并应提前研磨以便于操作和安装传感器。现场数据采集过程中，根据支撑直径尺寸对称排列多个测量点，因此每个测量点最多可收集三个测量点，必要时可收集多个测量值，触发器的振动方向垂直向下，桩的主轴与传感器安装方向一致，传感器连接接头安装在桩基上，常用耦合介质是良好的固体材料，如Van Ryan、Butter等，振动技术选择摆动式熨烫机。根据桩基础的实际参数为材料选择合适的质量和力棒会产生合适的脉冲波，主要分为低带宽脉冲和窄高频脉冲。在锤头振动工作时，需要根据实际情况控制振动能量，防止第二次冲击，避免后续波干扰，并将波形干扰降至最低，而无需检测桩头的明显反射。为了检测桩帽的深层和表面缺陷，需要现场更换滑块的振动位置或更换传感器。

5.4 野外数据收集

首先，选择要检查的桩帽，删除桩帽，然后显示新的硬混凝土表面以满足设计要求或行业要求。二是用合适耦合手段将消声器连接到桩顶，连接并测试计算机和仪器，根据桩的选择，起重机的触发源不同，需要安装一个小型测量杆和一个直径较大的桩，锤数一定的公斤，以实现高能量和速度，保证音源的带宽。第一种基于测试波形的现场解释消除了构造块的有害影响，如机械设备故障、边界条件等，在出现故障时必须消除并重新测试，并可重复进行，以避免出现故障或遗漏。

5.5 桩身缺陷位置计算

依据低应变法中时域信号或幅频信号可计算桩身缺陷位置。因缺陷位置处速度波第一峰与缺陷反射波波峰见的时间差或幅频信号缺陷上缺陷相邻谐振峰间的频差存在读数误差；波速确定方式及桩身波速平均值代替具体桩身段波速带来的误差；尺寸效应带来的误差等情况的存在导致本法确定的桩身缺陷位置有误差。从本次能力验证结果测试图形及缺陷位置判定来看，这种误差范围控制较好，在10%内。

6 结束语

总而言之，低电压法提供了快速、无损和经济效益，因而是目前应用最广泛的检测桩完整性的方法。桩身完整性检测是现阶段土地工程的重要组成部分，影响建筑竣工后的安全性和质量。桩完整性检查是一种无损检测手段，可提高施工效率，降低成本。本文介绍了低应变法桩完整性检查的基本原则。其中包括基本数据采集、野外数据采集、数据解释和工程实现、收缩桩和直径桩典型低压特征的解释，从而提高桩帽完整性检查的准确性和可靠性，以及工程师。