基桩低应变法桩顶三维效应影响研究

钟燕茹

(广东省建筑科学研究院集团股份有限公司)

0 引言

低应变法的理论基础是一维波动理论，受检桩须为细长杆件，并满足平截面假设，在满足以上前提条件下，可认为在激振脉冲作用下桩身中传播的应力波为一维纵波，且传感器接收到的实测信号能够客观、真实地反映入射波、反射波之间的相位和幅值关系。但是在实际工程中，基桩并不能认为是一维杆件，特别是大直径灌注桩，由于试验所采用的锤重限制，所激发激励脉冲的有效高频分量对应的脉冲宽度有限，桩顶面附近应力波不是一维纵波，也不满足平截面假设，呈显著的三维效应。对低应变法信号采集效果、结果分析准确性均带来不利影响。

本研究从三维效应产生机理、对低应变法测试的不利影响及减小三维效应干扰的技术手段等方面开展研究，从理论和实践方面综合探讨了桩顶三维效应并进行了经验总结，为解决大直径灌注桩低应变法测试效果、分析水平提供支持。

1 桩顶的三维效应

1.1 三维效应产生机理

一维波动理论严格成立的条件是传播介质为一维弹性材料杆件，且激励脉冲为平面波，但实际情况下受检桩桩长有限，并不符合一维杆件的假设。同时由于低应变法激振接触尺寸与桩顶横向尺寸相比很小，更接近点振源，所产生的激励脉冲也更接近球面波，低应变法激振产生的应力波也不是单纯的纵波，平截面假设不严格成立。1968年学者R.D.Woods的研究结果表明，敲击产生的应力波在半无限空间体介质中传播时，瑞利波（表面波）能量占67%，横波（剪切波）占26%，纵波（压缩波）占7%[1]。

1.2 激励脉冲实测信号中的三维效应

实际工程中的基桩物理模型介于一维杆件和半无限空间体之间，则低应变法试验时桩顶激励脉冲在桩身介质中产生的应力波介于平面波和球面波之间，传感器接收到的信号除包含有效的纵波外，还包含横波和瑞利波等干扰成分。

在低应变法实际测试过程中，实测信号中不可避免受到桩顶三维效应的不利影响，特别是大直径灌注桩试验中表现尤为突出。三维效应一方面加大了采集高质量信号的难度，另一方面对判断桩身完整性的准确性造成干扰。因此需要首先分析三维效应对实测信号造成负面影响的典型情况，能够在实践操作中识别和发现问题，进而通过技术手段降低三维效应带来的干扰，从而提升结果分析的准确性。

2 三维效应对实测信号的影响

2.1 实测信号质量

从以上理论分析中可知，低应变法在桩顶敲击产生的激励脉冲由于三维效应引起的横波和表面波是采集高质量实测信号的不利因素，主要原因是在桩顶面横向传播的横波和表面波及其在桩顶边缘产生的高频反射波，与纵波在传感器安装位置产生叠加，对实测信号造成干扰，特别对于大直径灌注桩，横波和瑞利波在桩中心和周边多次反射而形成的高频波耦合，会对桩身质量判定造成不利的影响。

某工程20#灌注桩，桩长23.88m，桩径1200mm，分别采用1.5㎏的手锤和7㎏的力棒进行测试，实测信号如图1所示。

图1 采用不同激振设备的实测曲线

受检桩直径为1200mm，根据规范规定，激振锤击点距离传感器安装位置约为400mm，当采用手锤激振时，由于三维效应，信号采集质量较低，主要表现为：

⑴激励脉冲信号产生畸变，起跳点前出现受拉引起的负向速度，与实际受压情况冲突。

⑵中上部信号出现振荡，疑似桩身存在缺陷。

⑶信号尾部不归零。

当采用力棒在同一位置进行试验，得到高质量信号，且桩身完整。分析两种激振设备实测信号差异，主要原因是手锤激振产生的高频脉冲中横波和表面波成分高，实测信号中三维效应影响显著，采用力棒激振产生的低频脉冲中纵波成分高，横波和表面波占比低，应力波更接近在一维杆件中传播，三维效应不显著，因此实测信号质量更高。

2.2 浅部缺陷识别

按照一维纵波理论和平截面假定，无论激振点和信号接收点设置在桩顶任何位置，传感器实测信号均有很高的一致性。但由于三维效应的影响，激振点和信号接收点位置的选取将对实测信号质量产生显著影响，特别是对浅部缺陷的判断。

某民宅工程采用直径600mm的钻孔灌注桩，桩长全部为30.00m，破除桩头浮浆后进行低应变检测，3号桩实测信号见图2。

图2 3号桩低应变现场实测曲线

图2中(a)、(b)曲线分别为选择不同敲击、接收位置的实测信号，(a)曲线反映出浅部存在严重缺陷，(b)曲线反映在桩中上部存在轻微缺陷，结论冲突。经开挖验证，发现在距桩顶约0.8m处桩身夹泥且存在水平裂缝，存在严重缺陷。实际情况如图3所示。

图3 3号桩照片

该工程实例反映出三维效应对浅部缺陷测试的影响，即一维波动理论和平截面假定不成立的情况下，低应变法试验激振锤击点、传感器安装点的选取对浅部缺陷的分辨具有至关重要的影响，因此在试验过程中需严格遵循规范规定的激振锤击点、传感器安装点选取以及采集信号数量原则，对浅部有疑问的桩，需增加点位和信号采集数量。

2.3 缺陷程度判定

由于方法的局限性，低应变法对于缺陷程度的判定未能达到定量分析，主要是通过对疑似缺陷位置反射波的形态与入射波进行比较，分析缺陷处阻抗与完整桩身阻抗的比值，进而定性判定缺陷程度，理论计算见公式⑴。

式中：Vi为激励脉冲峰值，Vr为变阻抗截面处反射峰值，β为变阻抗与完整桩身阻抗之比，β与Vr/Vi成正相关关系，即缺陷越大，反射波峰值越高，但两者变化不成比例。

在三维效应的影响下，激振锤击点距离传感器的远近对实测激励脉冲峰值的影响大于对实测缺陷反射峰值的影响。某工程中基桩为直径1200mm的灌注桩，对130#桩进行低应变法测试，传感器安装在桩中心，在距离桩中心点不同位置进行2次敲击试验，第一次距离按照规范规定为400mm，第二次试验距离为200mm。结果见图4。

图4 同一根桩不同敲击距离下的低应变实测信号

两次实测信号在距离桩顶约11.5m的位置均出现同向反射信号，对实测激励脉冲和反射信号的峰值进行对比分析。

表1 实测信号峰值分析

(a)、(b)信号在11.5m处反射波峰值均为0.15cm/s，但由于(b)信号激振锤击点距离传感器位置近，造成实测信号入射激励脉冲峰值更大，反射波峰值相近的情况下入射激励脉冲峰值越大，实测信号中反射峰相对越低，缺陷程度越不明显。如图4，同一根桩在仅改变敲击距离的两次试验中，缺陷反映程度具有显著差异，这种差异可能对完整性判定结论造成质的影响。因此激振锤击点距离传感器位置小于规范规定距离，会掩盖缺陷严重程度。

3 减小三维效应影响的技术措施

为减小桩顶三维效应对低应变法测试影响，可采取以下有效的技术措施。

⑴提高激励脉冲低频成分占比。低应变法激励脉冲为复频波，减少激励脉冲中的高频分量，可有效增大脉冲宽度，使激振产生的应力波更接近于平面波。广东省标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ/T 15-60-2019）和行业标准《建筑桩基检测技术规范》（JGJ 106-2014）中分别规定，低应变法瞬态激振脉冲有效高频分量的波长与受检桩横向尺寸之比宜大于5和10，其目的也是降低三维效应的影响。

⑵严格按照规范规定选取传感器安装点与激振锤击点。广东省标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ/T 15-60-2019）规定，实心桩传感器安装点与激振锤击点的距离宜不小于桩径或矩形桩边宽的四分之一；当激振锤击点在桩中心时，传感器安装点与桩中心的距离宜为桩半径的三分之二。有研究表明按照以上规定的传感器安装点与激振锤击点试验，三维效应对实测信号影响最小。

⑶改变传感器安装点与激振锤击点的位置，增加信号采集数量。虽然规范中规定了不同桩径情况下最少的信号采集点数，但对于易受桩顶三维效应影响的大直径灌注桩，应增加采集点数量，综合分析三维效应对信号的影响，选定客观反映桩身完整性的信号进行分析[2－3]。

4 结论

对基桩低应变法桩顶三维效应对试验的影响进行了讨论，从原理和实践两方面进行了分析，得到以下结论。

⑴在工程实践中由于基桩和激励脉冲的物理、力学模型不满足一维杆件和平截面等基本假设，桩顶附近的三维效应不可避免地出现，且对试验的影响不可忽视。

⑵桩顶面的三维效应对信号采集质量、浅部缺陷的分辨识别以及缺陷程度的判定等方面造成诸多不利影响，特别是大直径灌注桩，在实践中应识别并减少三维效应造成的负面效应。

⑶通过提高激励脉冲低频成分占比、按照规范选取传感器安装点与激振锤击点，以及改变传感器安装点与激振锤击点的位置、增加信号采集数量等技术手段可有效减小三维效应对低应变信号的影响。