支护桩低应变法检测结果在不同影响因素下的分析及处理措施

余晖明

深圳市业昕工程检测有限公司 广东 深圳 518110

低应变法主要用于桩身完整性检测，根据激振方式的不同，可分为反射波法、机械阻抗法、水电效应法、共振法和动力参数法等数种。目前在我国应用最广泛的是低应变反射波法。反射波法具有多个优点，如设备简单方便、方法快速、费用低、结果相对可靠等，该方法是普查基桩的桩身完整性的一种有效手段。由于低应变反射波法受桩身截面阻抗变化、桩周土约束、激振能量、激振脉冲宽度、桩身材料阻抗等因素影响，该法存在一定的局限性。低应变法常用于检测支护桩的桩身完整性，本文通过大量工程实例及实测速度时程曲线，结合支护桩的特点、现场地质条件及施工工艺等因素，对支护桩低应变法检测结果的判定上的局限性问题进行总结和分析，指出一些支护桩低应变法检测结果误判的问题，并提出一些支护桩检测的技术建议及相关改进措施。

1 桩低应变法的发展及原理

1.1 桩低应变法的发展

低应变动测技术是以应力波理论为基础发展起来的，它也是土动力学领域的重大课题。低应变反射波法最早起始于20世纪70年代初期，荷兰建筑材料与结构研究所研制成了基桩检测系统，用于检测桩身结构完整性。在此之后，桩动测技术开始在许多国家进行推广应用。同一时期，我国也从国外引进了该方法[1]。自20世纪80年代以来,机械阻抗法、水电效应法、反射波法等10余种方法相继问世,并在各地纷纷进行试验研究和应用。通过这些年的深入探索和研究，国内的多家岩土单位及设备制造厂商结合我国基桩的类型和特点，在桩的动测方法、测试技术、仪器设备等方面均有很大进步，极大的推动了我国低应变动测技术的发展和应用。其中低应变反射波法基桩检测技术以方法可靠、方便、快捷和成本低等优点,得到了广泛应用[2]。

1.2 低应变反射波法的检测原理

反射波法的理论基础是以一维线弹性杆件模型为依据，其基本原理是通过力锤或力棒在桩顶施加一个瞬态激振信号，产生垂直入射的应力波，该弹性应力波在沿桩身向下进行传播，当遇到桩身波阻抗有变化的界面时，将产生反射波和透射波。在桩顶部接收到反射波信号，得到实测速度时程曲线，通过波动理论分析，对桩身完整性进行判定的方法。

2 支护桩低应变法影响因素分析

支护桩低应变法影响因素包括桩周土、桩长、桩身截面尺寸、桩身强度、桩身混凝土质量、成桩工艺等。本文结合工程实例对以上影响因素进行更为详细的解析。

2.1 支护桩钢筋笼的影响

支护桩钢筋笼形状对低应变检测结果的影响，工程实例1：深圳市某1#基坑支护工程，本工程支护桩桩径1400mm，桩长为9.2m，桩身混凝土强度为C30，波速初步设定为3900m/s。经检测，分析检测结果发现所检测的支护桩桩长均少了1.5m左右。支护桩实测曲线见图1，钢筋笼形状见图2。

图1 某1# 基坑支护工程的193#支护桩实测曲线

图2 支护桩钢筋笼图

低应变法检测后，对部分桩长相差较大的3根桩进行钻芯法验证检测，发现桩长均达到设计桩长9.2m。经分析，该工程支护桩的钢筋在距桩底1.5m左右开始收拢成锥形，下放钢筋笼时，桩底部钢筋笼外侧可能存在掉落泥土，使得该区域混凝土灌注量相对较少，所成桩的截面尺寸在桩底以前就变小，产生缩颈，从而在桩底以前出现同相反射信号，而在桩底9m处无明显桩底反射信号。

在对某些支护工程的支护桩进行检测时，我们还发现有些钢筋混凝土灌注桩并不是全钢筋笼，可能在距桩底两三米的范围为无钢筋笼的素混凝土桩。有钢筋笼的部分和没有钢筋笼的部分桩身波阻抗是不同的，根据波阻抗公式Z=ρcA，因为有钢筋笼的部分含有钢筋，比无钢筋笼的部分密度大，其桩身材料密度ρ和波速c就相对较大。无钢筋笼部分相对于有钢筋笼的部分，桩身波阻抗变小，产生同相反射。因为同相反射位置接近桩底部位，让人误判该处同相反射为桩底，从而导致桩长判定较短，产生桩长不足的问题。

处理措施：对于钢筋笼影响低应变法完整性检测的结果，我们可以采用钻芯法进行验证性检测。而对于非全钢筋笼的钢筋混凝土灌注桩，我们可以采用预埋声测管到桩底部，采用超声波法检测，也可以采用钻芯法检测。

2.2 支护桩旁止水帷幕的影响

止水帷幕的对支护桩低应变检测结果的影响，工程实例2：深圳市某2#基坑支护工程，本工程支护桩桩径1000mm，桩长为13.8m，桩身混凝土强度为C30,波速初步设定为3900m/s。经检测，在分析6-6剖面的支护桩检测结果时发现，此剖面所检测的支护桩桩长均少了5m左右。支护桩实测曲线见图3，支护桩所在剖面见图4。

图3 某2# 基坑支护工程的6-6剖面8#支护桩实测曲线

图4 6-6支护剖面图

检测后，对6-6剖面低应变检测出桩长相差较大的3根支护桩进行钻芯法验证检测，发现桩长均满足设计长度13.8m。同时该剖面的止水帷幕也进行了钻芯法检测，取出搅拌桩芯样图片见图5。

图5 6-6剖面24#搅拌桩芯样

对搅拌桩按广东省规范《建筑地基基础检测规范》（DBJ/T 15-60-2019）进行取样，然后制样加工成高径比1：1的芯样，根据水泥搅拌桩芯样试件抗压强度计算公式：

式中：fcu——芯样试件抗压强度（MPa），精确至0.1MPa；P——芯样试件抗压试验测得的破坏荷载（N）；d——芯样试件的平均直径（mm）；ξ——芯样试件抗压强度换算系数，对混凝土芯样取0.88，对水泥土搅拌桩、旋喷桩和水泥粉煤灰碎石桩芯样宜取1，对岩石芯样取1。

水泥搅拌桩（止水帷幕）经抗压强度试验后，计算得出本工程6-6剖面24#水泥搅拌桩的单孔芯样试件抗压强度代表值为12.8MPa，远高于桩周土的强度。

结合以上情况分析，因低应变法检测桩长与水泥搅拌桩的设计桩长基本一致，所以我们认为可能是水泥搅拌桩（止水帷幕）影响了低应变的检测曲线，导致检测桩长的误判。我们知道除了桩身阻抗变化会影响低应变信号曲线以外，应力波在遇到桩周土阻力大小发生改变的界面时，也会产生土阻力反射波，尤其是在软硬土层交界附近。受桩周土层的土阻力大小明显改变的影响，应力波从软土层进入到硬土层时（如粉质黏土层进入中风化孤石层），所采集的实测曲线在该界面将产生一个反相信号（类似扩径），而桩周土从硬土层变化到软土层（如硬塑粉质黏土进入淤泥层）时（见图6），所采集的波形曲线在相应位置会产生一个同相信号（类似缩颈或缺陷）。如果不考虑桩周土对低应变实测曲线的影响，容易对桩的低应变结果产生误判。本工程的水泥搅拌桩（止水帷幕）相当于硬化后的土层，从搅拌桩桩底到砂质粘性土土层，相当于硬土层进入到软土层，从而产生类似桩底的同相反射信号，导致检测人员对支护桩桩长产生误判[3]。

图6 穿过淤泥层的支护桩剖面图

根据桩周土的土阻力变化对支护桩低应变检测结果的影响，我们还可以推断在一些工程的支护桩存在穿过硬夹层（中风化孤石），会产生反相信号，紧接一个同相反射信号，干扰支护桩实测速度曲线信号，无法准确判定桩身完整性和桩底反射信号。

综上，为能更准确的对支护桩低应变的检测结果进行分析和判断，我们应当收集所检测基坑工程的地勘资料及施工资料，了解项目土层的分布与走向。特别要了解支护桩周围土层的变化以及各土层的主要物理性质指标及主要工程特性参数（如内摩擦角φ，粘聚力c，承载力特征值等）。为避免桩周土影响桩身完整性判定的准确性，可以采用钻芯法验证或者声波透射法检测支护桩的完整性。

2.3 支护桩护筒的影响

支护桩护筒的对支护桩低应变检测结果的影响，工程实例3：深圳市某3#基坑支护工程，本工程支护桩桩径1000mm，桩长为13.5-17.5m，桩身混凝土强度为C30，波速初步设定为3900m/s。因本工程支护桩需穿过砂土层和淤泥层，为防止旋挖灌注桩施工时出现塌孔，所以在桩施工时有下护筒，护筒直径1200mm，护筒底深度距桩顶2m。经检测，发现本工程支护桩在2m左右的位置均存在缺陷反射信号，导致本工程支护桩桩身完整性很多被判为II类甚至III类。支护桩实测曲线见图7。

图7 某3#基坑支护工程的支护桩低应变曲线图

根据以上低应变检测结果，我们可以发现以上支护桩在2m左右均存在缺陷同相反射信号，因护筒直径为1200mm，深度为2m，护筒底部到桩顶区域的桩身截面尺寸大于护筒底部到桩底的桩身截面尺寸，根据桩身波阻抗公式Z=ρcA，在变截面处，A减小，波阻抗Z减小，桩顶测得实测时程曲线出现同相反射信号。检测人员如果没有深入了解本工程支护桩施工资料，容易导致对该位置的同相反射信号进行误判，将支护桩的桩身完整性判为II类。而实际支护桩的桩身完整性为I类。

综上，我们在进行低应变检测时，应收集好受检桩的详细施工技术资料，结合施工的过程资料，综合对支护桩桩身完整性进行判定。

2.4 支护桩施工工艺的影响

支护桩有多种施工工艺，目前大多工程项目采用旋挖灌注或冲孔灌注工艺，其中又以旋挖灌注较多。旋挖灌注桩在旋挖过程中，如遇到深厚的淤泥层或较松散的砂土层，在没有护壁的情况，极易出现塌孔现象，以致对旋挖桩的成孔、成桩质量造成极大的隐患。砂土具有较大的内摩阻力而无粘结力，淤泥无任何强度，旋挖机在深厚或沙层中一成孔，立即会出现向孔内塌陷的现象，形成较大的扩孔，灌注混凝土的充盈系数较大，严重时导致无法成孔，甚至会造成地面沉陷，造成极大的安全隐患。

工程实例4：深圳市某4#基坑支护工程，本工程支护桩桩型为旋挖灌注桩，桩径1000mm，桩长为13.8m，桩身混凝土强度为C30，波速初步设定为3900m/s。经检测，发现该工程2-2剖面的支护桩低应变实测时程曲线大多在3~4m的位置出现反相反射，类似扩径的信号。支护桩实测曲线见图8，支护桩所在剖面见图9。

图8 某4#基坑支护工程支护桩低应变曲线图

图9 某4#基坑支护工程2-2剖面图

根据以上低应变实测速度曲线，我们可以发现2-2剖面检测的两根桩在3~4m左右的位置出现反相反射信号，随后出现一个同相反射信号，桩底反射不明显，无法根据低应变实测曲线对此两根桩的桩身完整性有一个准确的判定。根据地勘资料及施工技术资料，我们可以发现在桩底以下3m的位置有淤泥质粉质黏土及粗砂层，并且了解到在旋挖桩施工时未下钢护筒，该地层区域范围泥土可能出现向孔内塌陷的现象，形成较大的扩孔，导致灌注混凝土的充盈系数较大，该处桩身截面尺寸增大。根据桩身波阻抗公式Z=ρcA，桩身截面尺寸A增大，该处波阻抗Z增大，在实测速度曲线上相应位置出现反相反射信号，从而影响检测人员对该支护桩桩身完整性的判定，无法给出准确的检测结果。

综上，支护桩在存在淤泥层或砂土层的工程施工时，应该采用钢护筒护壁的方式穿过淤泥层或砂土层，确保桩身的截面尺寸不发生较大的变化而影响低应变的检测结果。我们也可以采用预埋声测管的方式来对支护桩进行声波透射法检测，有效避免桩身截面尺寸变化带来的影响。

工程实例5：深圳市某5#基坑支护工程，本工程支护桩桩型为旋挖灌注桩，桩径1200mm，施工单位所提供施工桩长为15.90m，桩身混凝土强度为C30，波速初步设定为3900m/s。经检测，发现该工程部分支护桩的检测桩长与施工桩长相差较大，最大的相差4~5m。支护桩实测曲线见图10。

图10 某5#基坑支护工程G19#桩低应变时程曲线图

根据波形图分析，本工程G19#桩检测桩长为11.45 m，与施工桩长相差4.5 m左右。对该桩进行钻芯法检测，共钻两孔，其中1#孔偏出桩外钻到钢筋笼，G19钻芯法芯样照片见图11。经钻芯法验证，根据钻芯2#孔的芯样图片，我们可以发现G19#支护桩桩长满足设计要求，跟施工桩长15.9m基本相符合，达到16.22 m。但根据1#孔的检测结果，该孔在12 m处偏出桩外，已经钻到G19#桩的纵向主筋，并且通过该孔芯样图片我们可以发现该桩的钢筋笼靠桩外侧有一半被泥土覆盖，钢筋笼的混凝土保护层在11.80 m左右缺失，也说明该桩在11.80m处左右桩身夹泥。桩身夹泥会在低应变反射信号曲线反应出同相反射信号，与G19#支护桩的低应变检测结果基本相符。

图11 某5#基坑支护工程G19#桩钻芯法1孔及2孔芯样图片

根据对现场施工过程的了解，我们从监理单位得知一个情况，该施工单位在本工程旋挖灌注桩施工过程中，灌注混凝土时的拔管长度控制不准，底部混凝土还没有浇筑好就大幅度抽拔导管，使得混凝土体冲刷孔壁，导致孔壁泥土下坠或坍落，我们分析可能是该因素导致桩身夹泥。因此施工单位在桩的施工过程中，现场作业人员要控制好灌注工艺和操作，在抽动灌注混凝土的导管时，应使混凝土面上升的力度适中，确保现场作业时的拔管和连续灌注是有序进行的，同时导管的升降幅度也不能太大。

2.5 支护桩低应变测试方法的影响

测试方法的影响因素包含现场桩头处理、采样频率、传感器的安装、激振设备及敲击能量等。而测试方法的影响因素往往又是现场检测人员的技术水平和对规范熟悉认知的程度决定的。结合《建筑地基基础检测规范》（DBJ/T 15-60-2019）规范内容，我们可以得知以下内容。

受检桩的桩头处理应符合下列要求：应凿除桩底浮浆、松散或破损部分，桩顶面宜平整、密实，并与桩轴线垂直；当预应力管桩的法兰盘与桩身混凝土结合不紧密时，也应对桩头进行处理；桩头的材质、强度、截面尺寸应与桩身基本相同。当有垫层与桩头浇筑成一体时，应确保垫层不影响低应变检测的结果才能进行检测。

现场低应变检测时，我们应当根据桩长、桩身波速和频域分辨率合理选择采样频域（采样时间间隔），采样点数不宜少于1024点，时域信号记录的时间长度应在2L/c（L为桩长，c为桩身波速）时刻后延续不少于5ms,频域信号分析的频率范围上限不应小于2000Hz。采样频率越高，即采样间隔时间越小，则时域信号精度越高，但频域分辨率越低；反之，采样频率越低，即采样间隔时间越大，则时域信号精度越低，但频域分辨率越高。

为避免传感器安装位置不规范对检测数据的影响，对于实心灌注桩的激振点宜选择在桩顶中心位置，传感器宜安装在距桩中心约2/3半径处，传感器安装点和激振锤击点的距离不宜小于桩径或矩形桩边宽的四分一。需要说明的是，激振点与传感器距离桩的主筋不宜小于50mm，避免钢筋笼纵筋对检测信号产生影响。对于实心桩的传感器和激振点在桩顶面布置的原因是在敲击过程中产生的应力波除向下传播外，也沿桩顶面径向向周边传播，从周边反射回来的波与由桩中心向外扩散的波会发生叠加，根据实践研究发现，初始波在2/3桩半径处接收时所受到波的干扰最小。空心桩的激振点及加速度传感器的安放位点应在同一水平面上，且宜选择在桩壁厚的1/2处。传感器安装点、激振锤击点与桩中心共三点所构成的平面夹角宜为90°。激振方向应与桩轴线平行，有利于抑制质点的横向振动，且应避免二次冲击，防止后续波的干扰。

传感器安装的好坏直接影响测试信号的质量，应根据气温高低等情况选择合适的耦合剂。用耦合剂粘结加速度传感器时，应具有足够的粘结强度，确保传感器能接收到高质量的反射信号。试验表明，耦合剂较厚会降低传感器的谐振频率，产生低频，影响反射波接收，从而丢失有效信号[4]。传感器安装越牢固则传感器安装谐振频率越高，采用冲击钻打眼安装可明显提高安装的谐振频率。

反射波法现场测桩时，检测公司应准备几种不同重量的力棒或力锤、不同材质的锤头，依据不同的检测效果及目的选择不同的激振设备。根据纵波的传播特点，我们知道激振脉冲波的频率越高，脉冲宽度窄，对桩身的缺陷分辨率越高，对桩的浅部缺陷反射越明显，但是波沿桩身传播的能量衰减快，不利于检测出桩身深部缺陷及长桩的桩底反射信号。反之，激振脉冲波的频率越低，脉冲宽度宽，对桩身浅部的缺陷识别率较低，但波沿桩身传播的能量衰减慢，可以检测出对长桩的桩底反射信号及深部的缺陷反射信号。因此对于长桩和深部缺陷的检测，我们选择锤的重量越大，直径越大，垫层越软，更利于激发能量高的低频脉冲信号，从而可以检测到长桩桩底反射及深部缺陷。对于短桩和浅部的缺陷，我们选择锤的重量越小，直径越小，垫层越硬，更利于激发高频脉冲信号，不仅可以检测到短桩的桩底反射信号，还可以检测出桩身浅部缺陷。因此在对长桩的检测时，我们应当选择多种不同类型的激振锤进行桩身完整性的检测，从而更为准确的判定桩身完整性[5]。

2.6 支护桩低应变数据处理分析的影响

现阶段低应变实测速度信号处理主要有时域分析和频域分析两种处理方式。时域分析将桩假定为一维杆件，应用应力波理论，应力波的传播速度假定不变进行分析。由于基桩检测只能近似满足一维应力波理论，实测波速受许多因素的影响，如桩身材料黏弹性作用导致的物理频散；桩身几何尺寸的影响，包括横向尺寸导致的几何频散及桩上部的三维效应；土体阻力的影响等。导致我们对低应变的数据分析存在一定的误差，如测试缺陷的位置及测试桩底位置的深度误差。

检测人员在分析所采集的实测波形曲线时，还应注意到浅部盲区问题，如果激振脉冲波频率低，形成宽脉冲信号，由于激励脉冲在实测时程曲线上有一定的宽度，如果在该宽度“盲区”内存在缺陷，则在脉冲宽度内，应力波遇到缺陷产生的上行同相反射波信号与能量较大的同相入射波叠加在一起，在桩顶面所接收到实测反射波曲线中很难识别桩身所存在的浅部缺陷。波形特征往往表现为有较宽的入射脉冲：波形在整体上呈大波浪形式，波形振荡、幅值大，延续时间长。对此类波形应当予以重视，可以换轻锤或硬一点的锤头进行敲击，利用窄脉冲检测出浅部缺陷信号。

处理数据时，我们应当合理应用指数放大和低通滤波对接受信号进行处理，其中低通滤波可以减少噪声对信号的干扰，而通过指数放大可以提高在实测波形曲线中对桩中下部及桩底反射信号的识别能力。在分析过程中，指数放大以2~20倍，能识别到桩底反射信号为宜，过大的放大倍数将会把干扰信号也放大，可能会使实测反射波信号的尾部出现明显不归零的情况，影响桩身完整性的分析判断[6]。

3 结语

低应变检测桩身完整性，有着操作简单、快速、经济、对工程施工干扰小及可以查出桩身缺陷和严重的桩长不符等优点。使得该法在工程质量检测中的应用越来越广泛。但通过以上分析，低应变反射波法也存在一些局限性问题，如受到桩周土约束影响、无法识别多个缺陷、无法对缺陷进行定性和定量的分析、对波阻抗渐变类的缺陷难以判断及对桩身纵向裂缝的识别能力较差等。这些局限都会对低应变检测工作将产生不利影响。虽然低应变法有着很多影响因素和局限性，但是通过以上各种因素分析，只要我们收集好工程的桩施工资料、地质勘查资料，同时利用其他检测方法如声波透射法、钻芯法进行综合验证检测，有针对性地开展低应变检测工作，采取有效的措施，并将理论和实际有效结合起来，就可以提高低应变检测结果的质量和可信度。