桥梁桩基检测技术低应变法的应用分析

刘明、黄凯

（贵州宏信创达工程检测咨询有限公司，贵州 贵阳 550014）

0 引言

桥梁作为城市交通的重要节点，在交通中发挥着重要作用。但是，随着桥梁的长期运行，桥梁的安全性和稳定性问题也逐渐凸显，其中桥梁桩基作为承载和传递荷载的关键部分，其质量和完整性显得尤为重要。而传统的检测方法，如取样检测和静载试验等，往往具有破坏性、耗时长以及检测范围有限等缺点，无法满足日益增长的工程建设需求。在这一背景下，非破坏性检测技术被提出，为桥梁桩基的质量评估和缺陷检测提供了新的解决方案。其中，低应变法作为一种重要的检测技术，具有高效、精准、无损等特点，逐渐成为桥梁桩基检测领域的研究热点[1]。

1 低应变法概述

低应变法（Low Strain Integrity Testing），又称动态法或冲击回波法，是一种广泛用于桥梁、建筑物和其他结构中的非破坏性检测方法[2]。它主要用于评估混凝土、钢筋混凝土等材料中的缺陷情况。低应变法通过在桩顶施加冲击或振动力，分析从桩顶向下传播的动态应变波形，从而推断桩基的连通性、完整性和质量。低应变法的原理基于应变波在材料内传播的速度会受材料的弹性性质的影响。当桩顶受到冲击或振动力作用时，将在桩中产生应变波，该应变波将向下传播并在桩底和缺陷处产生反射波。传感器放置在桩顶和桩底，用于记录应变波的传播时间和幅度。通过分析这些传播时间和幅度的数据，可以计算出桩基中的波速，进而推断桩基的完整性、质量和缺陷情况。如果桩基出现断裂、空洞或蜂窝状缺陷，应变波将在这些位置产生明显的反射，从而可以快速检测出问题区域；不同材料和质量的桩基将产生不同的应变波传播速度和幅度，通过分析这些参数，可以推断桩基的质量情况[3]。此外，低应变法还可以用于测量桩的长度，了解桩的嵌入深度。低应变法是一种非破坏性的方法，不会对桩基造成损害，适用于对使用中的结构进行检测。同时，低应变法的设备相对简单，操作便捷，可以在相对短的时间内完成测试，节省时间和成本。低应变法可以应用于各种类型的桥梁和建筑物，包括混凝土、钢筋混凝土、钢桩等类型，具有较广泛的适用性[4]。

2 桥梁桩基检测低应变法操作流程

2.1 设备选择

在低应变法的检测过程中，所涉及的设备包括动测仪、采集仪、激励设备、传感器设备以及专用附件等。其中，动测仪是整套设备的关键组成部分，包括信号采集、机电设备以及信号采集仪等多个功能设备。动测仪的核心功能是协调各项设备的协同工作，确保检测的顺利进行。激励设备主要采用力锤，通过对桩顶部的锤击作用，实现弹性波的传输，从而激发桩基的应变响应。传感器设备和放大器等装置则扮演着快速信号采集的角色，传感器的作用在于提高信号的捕捉效率和准确性，而放大器则用于增强信号的幅度。信号采集仪负责将采集到的信号进行放大、分析、滤波以及输出等处理，为工作人员提供准确的数据信息，以便于后续的分析和解读[5]。

2.2 数据收集

在检测过程中，需要确保传感器与桩顶部位的充分接触，消除可能出现的缝隙问题。一种常见的做法是在传感器底部涂抹适量黄油，以确保传感器与桩顶部紧密连接。在检测环节中，首先对桩基础结构进行编号，为每个结构建立专属的数据档案，并及时更新这些档案。为了避免数据丢失的风险，务必进行数据备份，以确保每份数据都能保持完整。

2.3 处理数据

现场获得各项数据和信号后，通过专用软件进行详细分析和处理。首先，对波形进行按比例放大，沿水平和垂直方向各放大2～30 倍，以确保波形放大后不会失真。在处理过程中，数字滤波法是至关重要的步骤，它能够剔除采集数据中的无关或次要信息，从而实现对缺陷信号的准确分析，以达到有效的滤波效果。在检测中，应用加速度计进行积分以获得速度信号，然而，桩体结构阻力和传感器的影响可能导致信号失真。有些位置的检测区域受到较大阻碍，从而可能在波形中引起不准确的情况。为解决这个问题，需要按照要求对信号进行旋转修正，以调整特定点位的线性数据信息，从而获得更精确的结果。此外，为了抵消检测受到多种干扰因素影响所产生的杂波，不影响检测结果的准确性，采用多次采样的方法进行处理，以获得多个数据样本，然后进行叠加平均，从而实现对数据的规律统计分析[6-7]。

2.4 判断检测结果

2.4.1 桩身波速确定

在完成波形分析后，对于桩底的反射信号情况需要进行详细了解。在信号比较弱或者没有明显信号的情况下，存在放大指数过大的潜在问题。为此，必要时需要对数据尾部进行适当处理，以确保在同一屏幕上能够清晰且准确地观察桩底反射情况。这一步骤的目的是保证后续的混凝土波速计算能够基于可靠的数据展开。在确认桩体长度和底部反射信号的清晰度之后，方可进行混凝土波速的计算，波速计算采用公式：

式（1）中：C 表示材料中的波速（Velocity），即超声波在材料内传播的速度；L 表示桩身缺陷的长度（Length）；T 表示超声波传播时间（Time），即从超声波发射到接收所需的时间。

2.4.2 确定桩身缺陷位置

判断桩身缺陷需采用公式：

式（2）中：L 表示桩身缺陷的长度（Length），单位：cm；T 表示超声波传播时间（Time），单位：μs，即从超声波发射到接收所需的时间；X 表示超声波传播速度（Velocity），单位：m/s，指超声波在材料中传播的速度；C表示材料中缺陷的深度（Depth），单位：mm。

2.4.3 判断桩身完整性

借鉴现有的实际工作经验，深入分析反射波的特征，并将其质量划分以下四类：第一类代表桩身完整无损；第二类代表桩身存在轻微缺陷；第三类代表桩身存在明显缺陷；第四类代表桩身存在严重缺陷。每一类的判定标准详见表1。

表1 桩身完整性判断标准

3 工程实践

在某立交桥的工程建设中，总计安排了18 根桩基础结构，采用旋挖钻机进行灌注桩的施工方式。在这18 根桩中，选取了9 根进行了低应变法的检测，以确保其质量和稳定性。通过应用低应变法技术，成功获得了所有9 根桩基底结构的清晰图像和数据信息，为工程的安全和可靠性提供了有力的支持。在这项检测工作中，得到详细的检测结果，具体数据见表2。

表2 混凝土强度与波速检测结果

4 桥梁桩基低应变检测要点

4.1 做好传感器布设与激振控制

在传感器的安装过程中，必须确保安装位置与桩顶保持垂直，以确保传感器与桩顶的连接效果达到合格标准。为了保证连接的有效性，常常使用耦合剂、黄油等物质进行处理。通常情况下，激振点被设置在桩体结构的中心位置，测量传感器与桩基础中心的距离为2/3 半径。然而，在一些工程中，采用了空心桩，因此需要将激振点和传感器设置在同一水平面上，即桩体结构厚度的1/2 位置，且保持与桩体成90°的方向。在进行瞬态激振操作之前，需要进行简单的检测，通过敲击的方式确保激振力锤和锤垫的重量符合要求。同时，需要通过联合宽脉冲进行底部信号的检测控制，对于桩体上部存在的缺陷信号，应使用窄脉冲获取。在稳态激振作用过程中，必须按照规定的频率进行稳态响应信号控制，并根据桩体的长度、直径、周边土体约束力状态等因素进行合理的调整[8-9]。此外，在进行传感器的安装时，应与钢筋笼主筋保持足够的距离，通常超过50cm 为宜，以防止干扰信号的产生。在现场操作中，若激振力锤被安装在基桩顶部，应迅速抓住落锤，以避免产生二次冲击而对反射波获取产生不利影响。

4.2 做好桩头浮浆处理

浮浆在桩顶部的存在会显著影响反射波的传播，因此在进行检测之前，必须采取凿除等处理措施及时清理桩顶的浮浆[10]。在测点和激振点的位置，通常需要使用打磨机进行处理，以确保表面平整度达到要求，从而使传感器能够迅速而准确地接收混凝土表面信号，同时激振设备也能在混凝土表面上实现精确作用[11]。

4.3 做好突发情况的处理

在检测过程中发现仪器损坏或传感器故障等问题，应立即进行设备更换，随后重新进行检测操作[12-13]。仪器设备容易受到温度、湿度、电磁振动、冲击、电压波动等因素的影响，如果这些因素导致检测效果不符合标准，应立即暂停检测，并在消除干扰性因素后再次进行[14]。在检测过程中出现异常数据时，也应立即停止检测，对异常数据的原因进行分析。如果异常数据是操作失误、设备设置不当等原因造成的，应在处理相关问题后再次进行检测[15]。

5 结语

总而言之，低应变法作为一种非破坏性检测技术，为桥梁桩基的质量评估和缺陷检测提供了一种高效、精准的方法。文中通过对应变波的传播特性进行分析，可知它能够快速发现桩基的问题区域，提前探知潜在的质量隐患，为保障桥梁的稳定性、安全性和可靠性提供科学依据。值得注意的是，虽然低应变法具有很多优势，但在实际应用中仍然需要结合具体情况，充分考虑不同材料、不同桩基类型等因素，以确保检测结果的准确性和可靠性。在日后进行桥梁桩基检测时，还要不断对低应变法进行研究，加强技术创新以及检测数据的处理，保证桥梁桩基检测的质量。