低应变法检测预制管桩的常见问题及解决办法

低应变法检测预制管桩的常见问题及解决办法

摘要：在阐述低应变检测基本原理的基础上，从低应变法本身的局限性、低应

变理论的适用性及管桩构造的特殊性3个方面分析了低应变法检测预应力管桩存

在的局限性。阐述了预应力混凝土管桩综合分析方法的必要性及其具体途径。结

合工程实例，验证了综合分析方法的必要性与有效性，提出了管桩低应变检测现

场采集与结果判定的建议。

关键词：完整性检测；低应变局限性；预应力混凝土管桩；综合分析方法

引言

低应变反射波法是地基基础检测的主要方法之一，适用于检测桩身混凝土的

完整性，判定桩身缺陷的程度，推断缺陷的类型和位置。随着科学技术的发展，

低应变反射波法得到了长足的发展，在工程检测中的应用愈加广泛。

一、管桩低应变法试验实例

湛江某软土区域的管桩低应变法试验项目，抽检桩总数102根，桩径

400mm～500mm，有效桩长17.0～29.0m，原第一节配桩长度8.0～12.0m，检测

时桩头已截至承台底标高，故第一节配桩长度为2.0～9.0m，桩端持力层为中粗砂。地层分布如下：杂填土，层厚约2.0m；淤泥，层厚14.3～17.4m，饱和，流-

软塑；粉质粘土，厚度3.8～8.2m，湿，可塑；淤泥质粉质粘土，层厚3.5～

15.1m，饱和软塑；粗砂，层厚3.2～5.8m。部分基桩的低应变检测信号，如图1。

图2 灌芯前后部分低应变信号曲线

试验结果表明：

（1）102根桩的速度曲线均无法识别桩底反射信号。（2）桩身存在轻微和明显缺陷的

桩数为63根，根据提供的施工记录，其中48根缺陷深度均与第一节配桩长度较符合，其中

14根缺陷深度均不大于第一节配桩长度，其中一根缺陷深度均大于第一节配桩长度。根据速

度信号曲线分析，缺陷绝大部分位于地面以下第一个接桩范围内，速度信号曲线难以反映第

二节以下的桩身完整性情况。（3）对于疑第一节与第二节焊缝问题的48根桩进行了灌芯处理，灌芯深度为第一节桩长度L+1m，采用C40早强膨胀混凝土，一个星期后进行复测，发

现灌芯后的低应变曲线绝大部分能得到很好改善，如图2。

二、基桩低应变法检测的原理

混凝土材料具有良好的连续性、均匀性和弹性，可满足胡克定律对桩体弹性的要求。在

施加瞬态应力后的桩基桩中，桩体弹性变形的弹性会在一定程度上发生，在混凝土介质中，

以波的形式传递，这就是我们所说的弹性应力波。在对桩基桩低应变检测理论的分析中，必

须忽略材料阻尼在传输过程中的影响。在一维弹性杆分析中，如果水平尺寸小于纵向尺寸，

则在分析过程中应忽略横截面波的二维传播。在传输过程中，基桩的横截面一直被认为是平的，截面上的应力是均匀的。

通过以上五个方面的描述，提出以下问题：

1、桩的桩沿桩轴的方向为简化，定义为一维弹性杆模型，基于桩身混凝土材料的强度以

及弱波阻抗的形成等等的基础桩身截面的变化。

2、三维波阻抗在传播方向上简化为一维的、弹性波在桩基础上的传递过程中，一旦遇到

截面，截面的阻抗变化就会出现反射现象。

3、在桩帽安装在传感器上，用于接收桩在物质波的传输中，通过分析不同种类的物质波，在桩体缺陷的基础上或在桩底进行分析。

本文对基桩低应变检测的分析过程主要考虑了基桩的平均弹性波速、桩长、弹性波的传

播和反射时间。

三、低应变检测管桩的局限性

（一）低应变本身的局限性

反射波理论是建立在一维均质弹性杆基础上的，其数学模型是一种理想化的模型。在实

际工程中，反射波传播过程受很多因素的影响，除最大的桩身材质和桩周土阻抗外，还有检

测设备自身的问题和非一维波、波的弥散、多重缺陷等一系列因素。因此，工程桩的反射波

图形反映的不仅仅是桩身质量，而是多种因素综合作用的结果。低应变反射波仅能对工程桩

的完整性进行粗略判断，有时甚至只能对上部缺陷进行判断，不能对缺陷的种类和大小进行

精确的描述（这已在工程检测界形成了共识）。如：低应变对浅部缺陷较为敏感，对深部缺

陷和桩底沉渣难以反映；低应变很难识别纵向裂缝，对水平裂缝和接缝有所反映但难以定量；分辨率有限，难以判别管桩桩身细小微裂缝。管桩难以测到桩底信号，笔者曾经对比过相近

地层、相近桩长的旋挖灌注桩与静压管桩低应变信号，灌注桩大部分能有桩底反射，原因可

能如下：管桩为完全挤土桩，其施工后桩周土加倍密实，土阻力大幅增加，应力波衰减较快，难以抵达桩底或反射到桩顶传感器。

（二）低应变理论的适用性

反射波法的理论基础是一维线弹性杆件模型，因此受检基桩应满足下列条件：长细比＞5；瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸＞5；设计桩身截面基本规则；应力波传

播时平截面假定成立。但是，预应力混凝土管桩为一圆环柱体，并非满足一维弹性杆件。中

国建筑科学研究院陈凡等[认为，对于管桩，应力波传播时平截面假定非严格成立。这也从一

定程度上说明应力波在圆环柱体内的传播不能简单套用杆件模型。特别是大直径管桩，在采

用应力波反射法检测时，桩顶某一点受到激振锤的敲击作用，受到集中荷载作用，应力波不

仅沿纵向传播，同时也沿着管壁环向传播。应力波传播是一个三维问题，且桩顶高频波干扰

严重，使桩身缺陷难以判断。因此传统的基于一维波动理论的动力检测方法存在较大误差。

对管桩进行低应变检测时，将激振点布置在与传感器圆心夹角为90°的位置，虽然能在一定

程度上减小了高频干扰波峰值，但无法完全消除高频波干扰。。身缺陷诊断带来一定的干扰。（2）预应力管桩为一圆环柱体，严格地讲已不满足一维弹性杆件假设。实际上，桩是三维体，桩身缺陷的形状、空间位置也是随机分布的。对于挖土、机械行走等原因造成桩身出现

明显倾斜、扭曲的管桩，桩的纵向轴线已非直线，可能是呈空间分布的1条曲线，类似于异形桩，更加不满足反射波法的理论基础。（3）对于挖土、机械行走等原因

造成桩身出现明显倾斜、扭曲的管桩，在低应变检测时，受检桩只有水平向土压力作用，但

是预压应力的存在，使得裂缝的开展并不明显，桩身完全有可能并没有出现裂缝、断裂等明

显的阻抗变化界面。因此，低应变检测对于缺陷的漏判完全是有可能的。

四、预应力管桩综合分析方法

针对管桩低应变时域、频域信号中缺陷反射不明显的典型问题，有人提出了运用小波理

论等多种方法，有效地解决低应变法识别桩身细微裂缝的技术难题。但是鉴于低应变对于管

桩存在天生、固有的缺陷与不足，单凭信号处理的技术手段是难以轻易解决的。概括地讲，

预应力管桩存在5个特殊性：一是环形截面，薄壁结构，并非一维杆件；二是理论研究不够

深入，平截面不成立；三是预应力高强混凝土，脆性破坏，抗剪性能差；四是预应力钢棒，

耐久性要求；五是万一上下节桩间错位，荷载不能正常传递。笔者结合多年的工作经验与切

身体会，若采用低应变法检测桩身完整性，建议应符合以下规定：（1）检测的最佳时间是

刚打入土体不久、桩周受扰动土的固结还没有完成、土阻力比较小的时候。土阻力比较小，

反射波的能量衰减就小，测得的信号清晰，提高了曲线分析的准确度和可靠度。2）检测宜

在填芯之前进行，考虑灌芯造成桩身存在截面阻抗变化，可能导致误判或掩盖了桩身缺陷。（3）检测宜在垫层浇筑前进行，当垫层厚度较大且与桩身结合较好时容易造成桩身浅部存

在截面阻抗变化，单某一项目大部分出现浅部信号异常时应凿开桩周垫层，然后复测，以免

误判。（4）现场检测时当桩头有端板时，应先检查端板是否松动锈渣过厚，如有应处理后

再检测，并且激振点及传感器安装点应避免桩身主筋（5）在基坑开挖中如发现土体位移或

机械运行影响桩身倾斜度时，或在软土厚度较大地基中的管桩容易在开挖时因软土流动造成

桩身及焊缝开裂，应加大检测量。（6）现场测不到桩底时，此时应适当增加激振能量或采

用合适胶垫等增大波长。（7）当波形反映桩身出现明显缺陷时，有条件应挖开进行检查核对；挖开检查困难时，应结合桩顶偏位、桩身倾斜率、孔内摄像、岩土工程条件及施工情况

等综合判定，仍有疑问时，应采用静载法进行验证，或由各方责任主体协商补强或加桩。（8）在同一项目中，当低应变反映的缺陷位置有共同点，应对施工工艺、施工记录、地质