浅析低应变法检测在基桩工程中的应用

浅析低应变法检测在基桩工程中的应用

【摘要】本文介绍了低应变反射法对基桩完整性检测的基本原理及检测过程中的各种影响因素，结合实际工程案例对工程中常见的基桩缺陷情况分析总结，为低应变法检测分析过程中提供参考借鉴。

【关键词】低应变法；基桩检测；影响因素

1.概述

低应变法检测是国内外常见的桩基完整性检测手段之一，其数据采集结合数学、物理学、信号学、计算机科学等各个学科，低应变法检测的重要任务就是现场信号采集与分析，随着低应变信号采集和分析软件的发展和更新，检测工作人员的劳动强度大大减轻了[1]。低应变检测具有无损检测，操作仪器携带方便，检测过程简单快速，检测费用低，对场地要求相对较少等优势。可在较短的时间内对工程桩质量进行普查，能有效检测到桩身缺陷及位置，因此被广泛采用于工程基桩检测中。但是低应变法检测过程受外界干扰较大，在基桩存在多个缺陷和渐变缺陷时，判别困难，当低应变法检测过程中发现桩的异常情况时，常常需要结合现场开挖、取芯检测、静载检测等手段进一步进行验证[2]。

2.检测原理

低应变法检测在桩顶施加竖向激震，所产生的应力波沿着桩身向下传播，当桩身存在，缩径、夹泥、空洞、裂缝等异常情况时，将产生反射波，经接收、放大、分析处理后可进行分析，从而判定桩身缺陷位置及桩身完整性[3]。

图1低应变检测原理图

基于一维波动理论对桩身完整性反射法进行研究，假设桩为一维线弹性杆[4][5]，桩的弹性模量为E（N/m2），桩的质量密度（kg/m3），桩身波速c

（m/s），在细长杆受到撞击后截面位移D（m），由一维波动方程可知，桩阻抗与横截面积、材料密度、弹性模量关系如下：

，

称Z为桩

的广义波阻抗（N*S/m）。

对于完整性信号的反射波与透射波的波动方向和幅值，则应根据前述波在不

均匀介质中传播的反射与透射理论决定：

（式一）

及（式二）

当桩身材质阻抗发生变化，桩身阻抗从介质A（阻抗为Z1）进入介质B（阻

抗为Z2），则会产生反射波和透射波，令桩身完整性系数β=Z2/Z1。

当β≈1即桩身完整、均匀、无缺陷，无反射信号。但当桩周土约束较大，

持力层阻抗与桩身阻抗相近时，无法得到桩底反射。

当β＜1即桩底持力层土质较桩身材质软以及桩身断裂、缩颈、离析、疏松、裂缝、裂纹等缺陷，在桩顶反射波速度和初始入射波速度符号相同。总之，在桩

顶检测出的信号波动方向一致。

当β＞1即桩底端持力层土质较颖硬，桩身扩径、鼓肚，其信号表现为上行

压缩波，反射波速度、应力均与入射波信号波动方向相反。

若桩身阻抗变小即桩身存在缺陷，根据传感器接收到的异常反射波信号的时

刻(t

1)与桩顶激振能量触发时刻(t

2

)和应力波沿桩身传播速度c来推算缺陷距桩

顶的距离：

x=（t

1-t

2

）*c/2000。

3.影响因素

低应变法检测信号受到激振系统影响，检测过程中用手锤或力棒敲击桩顶激

发桩顶震动是瞬态激振系统，不同的材质、质量、形状的锤子在锤击过程中产生

的脉冲、宽度和频率是不同的[6]。检测过程中用到的手锤、力棒质量在几十克到

几十千克不等，最常见的材质为尼龙和铁。锤头材质和质量是影响激震能量的主

要因素。锤头质量大材质较软时，入射波脉冲以宽脉冲为主，低频成分为主；当

检测冲力大小相同时，其能量较大，应力波衰减较慢，荷载作用时间长，适合用

于获得长桩桩底信号或下部缺陷的识别[7]。锤头质量较小，材料硬度较大时，冲

击入射波脉冲以窄脉冲为主，高频成分较多；当检测冲击力大小相同时，虽其能

量较小并加剧大直径桩的尺寸效应影响，但较适宜于桩身浅部缺陷的识别及定位。在检测过程中应根据基桩的特点在保证具有足够能量使基桩纵向振动的前提下匹

配激震能量频率、脉冲宽度，以获得准确的实测信号。

表1 低应变法检测中常用力棒激发效果比较

在使用低应变法进行基桩检测前应对桩头进行处理，使其表面平整光滑密实，以保证激震能量的有效性和传感器的耦合度。选取适量耦合剂及合适的激振点，减少激振时的信号干扰，检测过程中耦合剂厚度越薄，则安装谐振频率越高，对于时域信号，在相同的模数转换分辨条件下，采样频率越高，数字信号越接近模

拟信号[8

]，检测过程中应注意耦合剂的粘粘情况以获取更真实的信号。通过对基

桩施工情况及地勘状况的了解，选择合适的力棒，检测过程中变换检测点位及激振能量、频率，便于获得桩顶和桩底信号。检测过程中要对有效数据进行简单的筛选与判别，根据缺陷反应特点进行有针对性的检测。

4.工程实测数据分析

某桥梁工程所在区域地质条件状况如表2所示，本工程下部结构采用钻孔灌注桩基础，桩径为Ф800厘米，桩身采用C30钢筋混凝土浇筑，基桩施工完成后采用低应变法对基桩进行完整性检测。

检测前要保证桩头条件良好，本次共检测3根桩，桩长均为20m ，基桩检测结果见图2。所检3根桩波速在4000至4200间，桩底反射明显。未发现桩身阻抗变化。

表2地质条件状况

图2 低应变现场实测曲线

由于灌注桩施工过程中其工艺相对复杂，要求在较短的时间内进行水下混凝土的浇筑，施工质量无法采取有效措施进行直观的控制，施工人员的技术能力对基桩质量有较大的影响，稍有不慎，易导致病桩，断桩等一系列不良问题，危机上部建筑结构的稳定性，从而引发重大质量安全事故[9]。在对灌注桩基桩完整性判定时，对于浅部可见缺陷（距桩顶约2~3m）可采用开挖法进行验证，浅部不可见缺陷可采用取芯法进行验证，对于距桩顶稍远（4~5m）的缺陷应结合施工资料地勘等进行综合分析，重点留意同向反射，曲线，有可能是混凝土离析，缩颈，断桩等情况导致的同向反射。当桩身浅部埋设护筒或桩径渐扩陡缩时也会使曲线有同向反射，此种情况并不会对桩身承载力造成不利影响，容易误判。低应变法检测中小范围的离析、夹泥反射波特征会与较大范围缩径反射波类似，若没有准确的施工记录，很难将离析、夹泥与缩径区别开来[10]，因此在低应变检测过程中不可单凭信号对桩身质量进行判定。

预制桩检测过程中，最常见的情况为桩身浅部缺陷及桩身接缝质量缺陷[11]，桩身浅部缺陷通常是因为机械开挖过程中操作不当所引起的。深度较深的基坑在开挖过程中，土体的侧移和回弹可能会将桩身推断或拉断。另外预制桩打桩后土体的挤压也有可能会导致桩身断裂。预制桩检测过程中发现一些桩在同一深度出现缺陷反射，应结合施工资料核实桩配情况，判断是否是因为桩身接头部位阻抗变化引起的反射，若需进一步判定接头部位情况，可采用孔内摄像头进行辅助检测，以判定桩是否有脱节和断裂的情况。