浅谈基桩低应变检测的工作原理及局限性

浅谈基桩低应变检测的工作原理及局限性[摘要]低应变法是目前工程桩完整性检测中最为常见和应用广泛的检测方式，本文介绍低应变检测的规定与原理，分析因桩身或周土波阻抗差异而引起的反射波相位符号的相应变化的影响，并结合工程桩在实际检测过程中遇到的一些情况，分析低应变检测法的局限性。

[关键词]低应变;一维波动理论; 阻抗;反射波；局限性

1、桩基检测的一般规定

桩身完整性检测的数量的要求，根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）3.3.3规定：1、建筑桩基设计等级为甲级，或地质条件复杂、成桩质量可靠性较低的灌注桩工程，抽检数量不应少于总桩数的30%，且不得少于20根；其他桩基工程，检测数量不应少于总桩数的20%，且不得少于10根；2、每个柱下承台检测桩数不应少于1根。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－2012）4.4.10规定：砼灌注桩10%，不少于5根；《建筑地基检测技术规程》（DBJ/T13-146-2012）12.1.2规定：复合地基竖向增强体10％，不少于10根，柱下承台不少于1根。

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）3.2.5规定：基桩检测开始时间应符合规定：当采用低应变法或声波透射法检测时，受检桩混凝土强度不应低于设计强度的70%，且不应该低于15MP。

灌注桩低应变检测前，首先应保证检测桩面为图纸上的桩顶设计面标高，桩面保证干净、无积水、平整、混凝土密实，其桩头表面的松散、空洞部分应该凿开，然后可采用砂轮机磨平并尽量使检测面光滑。保证桩面与桩中心轴线基本垂直；预应力管桩低应变检测前，如果桩头法兰盘与桩身混凝土之间结合紧密，不必处理，否则应将桩头锯平、清洁干净。

为保证低应变检测的准确性和规范性，检测现场需提供有桩号的桩位平面图，当桩基出现质量问题避免因桩号的不准确性而影响桩基工程的加固效果；需提供准确的桩长施工记录、桩身混凝土设计强度、工程岩土地质报告与施工技术资料，从而对桩身完整性和缺陷程度才能更加全面的分析。

2、低应变检测法的工作原理及局限性

反射波法检测桩身质量时，设定的波速同混凝土关系是随着强度等级越高其波速也越大。同一混凝土强度等级，波速也会有一定范围的波动，波速与混凝土强度等级间的对应关系一般可按：C20（波速3200m/s）、C25（波速3600m/s）、C30～C35(波速3800m/s)、C40及以上(波速3800m/s以上)、C80PHC管桩(波速4200m/s)，习惯上波速可以由本地区或类似的成桩施工工艺的实测值，也可结合同批次已确认的桩长反推波速的方法来综合确认。

一维波动传播理论是混凝土桩非破损检测的理论依据与基础，其理想模型为截面、材质连续均匀的弹性杆。低应变法是通过在桩顶产生一低能量的激荡，从而根据一维波动理论对产生的速度曲线进行时程分析或速度导纳曲线进行频域分析，对桩身完整性进行分析、判定的检测方法，从桩顶部沿着桩身产生向下传播的弹性波，当弹性波遇到有差异的波阻抗时(Z=ρCA，其中波阻抗Z、密度ρ、波速c、截面积A)，将产生反射波。再对反射波的信息数据处理或放大，通过来自桩身不同部位的反射信息来推断桩身的裂缝、断桩、严重离析、缩径或扩径等部位。一般来说，对桩时域曲线分析时：当桩长范围内某一位置显示入射波与反射波的相位相同，该位置截面波阻抗为减小，通常表现为缩颈、离析、裂缝、甚至断裂；当桩长范围内某一位置显示入射波与反射波的相位相反，该位置截面波阻抗为增加，通常表现为扩径。但桩身具体为何种类型的缺陷，只通过其相位特征来判定有一定的局限性，还需结合工程实际情况。

工程桩按完整性的判定可分为四类：Ⅰ类桩、Ⅱ类桩、Ⅲ类桩、Ⅳ类桩，由于低应变检测获取信息不能对缺陷作定量判断，故检测人员在测试过程中需结合施工条件、工艺水平、工程设计图纸、地质情况与周围的环境等因素，判断桩身完整性、分析桩身缺陷对工程桩的影响。如灌注桩在成桩过程中是否有地下水或流砂对其桩身迎水面的影响作用，地下室的土方开挖顺序不当加上持续的大雨天气导致软土对桩身的侧压力、预制桩接桩处的焊缝饱满度不足等。

《规程》规定桩的长细比及瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向直径或边长之比均宜大于5，对类似于H型钢桩的异型桩与薄壁钢管桩，并不适用于低应变法。低应变法只判定桩身位置的缺陷严重程度，而对于缺陷类型（如离析、缩颈、夹泥、断裂等）一般不做判定，遇到较深部位的缺陷及桩身纵向裂

缝也不能给出其方位，有时测不到桩底反射信号，无法判定整根桩的完整性。应通过现场试验，依据能否识别桩底反射信号，确定该方法是否适用。

3、低应变检测案例分析

当桩身完整时，仅存在唯一的反射界面,即桩底反射面，在条件较好的情况下，可以得到明显的桩底反射波（其理论曲线如图1、图2所示）。 ΔT = 2L /c

V (mm/s)

t (ms)

图1 完整桩的时域曲线

5Δf

300 f (Hz) 0 600 900 1200 1500

图2 完整桩的频域曲线

根据反射波相位与桩身阻抗的关系式子VR=(Z1-Z2)*V1/（Z1+Z2），作为时域判断的依据，当出现缩颈、离析、断桩、嵌固不良情况下时，也就是说Z1>Z2（阻抗减小）时，VR （反射波）与VI （入射波）同号（同相位），反之，扩径、嵌固良好等就是反相位。对于嵌岩型的灌注桩：也可利用桩底反射波的速度符号是否与入射波的符号的一致来定性的判断桩底打入持力层的坚硬程度与深度。当桩身阻抗大于桩底持力层土层的阻抗时，反射波与入射波符号同向（如图3所示）；反之，若桩底岩土波阻抗大于桩身波阻抗时，桩底的反射波与入射波符号反向（如图4所示）。

图3 反射波与入射波符号同向

图4 反射波与入射波符号反向

（1）工程桩中较接近一维波动理论的情况是，当桩身全部坐落在同一土层或波阻抗基本相似的不同土层时，则可直接根据检测曲线异常来判定基桩的缺陷；(2) 当桩身周土的波阻抗差异较大，相邻土层界面处的波阻抗就可能干扰到基桩本身采集的信号，这种情况下的异常曲线就有多种可能的解释，即可能是由于基桩本身的缺陷所致，也可能是由于基桩周围的土层变化所致。所以对波形曲线的异常分析要借助工程地勘资料，了解桩周的土层分布，结合相似场地、桩型的检测曲线来综合分析比较；(3)对于摩擦型基桩，当桩周及桩底为普通填土层、黏土层、沙层等，由于桩身为混凝土其波阻抗要大于桩周及桩底的波阻抗，波阻抗差异明显，桩底的反射型号也较为明显；(4)对于嵌岩型基桩，当桩底持力层为与混凝土波阻抗差异较小或接近的岩层（如在砂岩、石灰岩、变质岩等)时，当桩底嵌固良好时，桩底反射不明显，而当桩底持力层为与混凝土波阻抗差异较大岩层(如较硬的花岗岩、玄武岩等)时，桩底反射较明显。

通过基桩的某一截面的入射波和反射波的相位来推断其阻抗的变化，从而判断其截面是否存在缺陷，而对于存在严重缺陷的桩，通过实测时域波形曲线能发现某一部位有强烈的反射波，并且之后伴有几次反射，此时桩底反射信号较难识别。当桩身材料不均匀或某截面形状沿深度变化明显的桩，当有缺陷时，时域波形和频域波形曲线就比较复杂。

低应变对工程桩进行质量类型的判定有一定的局限性，所以要结合基础及上部结构综合考虑对桩身强度，桩的承载力及抗压沉降的要求，分析由于桩身缺陷影响结构安全的可能，不宜单凭采集的测试信号来定论，有条件时甚至要及时与委托单位联系使用多种检测方法进行综合判断。

4、结语

低应变反射波法是目前国内外使用最广泛的一种基桩无损检测方法，由于其检测便捷、效率高已广泛采用，在低应变检测中，我们需严格按低应变检测要求，结合地质条件、成桩工艺、设计桩型综合对桩身完整性分析、判定，不放过任何桩身缺陷。最后还需协助施工单位一起找出造成缺陷的原因，督促其改进施工技术工艺，防止同类型缺陷反复发生，以确保桩基工程的施工质量。

参考文献

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[3]张宏，刘衍林.复杂地质条件对反射波法基桩检测的干扰因素探析[J],桥梁建设，2001

[4]梁曦.低应变法培训讲义[R].福建省建筑科学研究院,2016