浅析低应变基桩检测技术

2010-01-01刘立萍

中国新技术新产品 2010年17期

傅强刘立萍

（浙江，金华 321000）

引言

随着我国桥梁和高层建筑的发展，桩基工程越来越多的作为一种常用的基础形式而被广泛采用，目前国内外一般首选的是应力波反射法（锤击波动法）、声波透射法其中由于低应变法方法测试快速、简单等特点应用最为广泛。本文首先叙述低应变反射波法的发展及其基本原理及其具体实施步骤，并根据工作经验提出了作者认为现行方法中的不足及可能的解决方法。

1 基本原理和假设

低应变法现已普遍用于检测混凝土桥桩的桩身完整性，判定桩身是否存在缺陷、缺陷的程度及其位置。经过多年的发展，现在已经形成较为成熟的技术经验。其基本原理低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。将桩身假定为一维弹性杆件（桩长>>直径），在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，沿桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。安装在桩顶上的传感器，将接收到来自桩身各个波阻抗Z变化界面处反射上来的信息，经接受放大、滤波和数据处理根据这些信息，可对桩身完整性质量进行分析判断。

2 检测实施过程

2.1 资料的收集及现场信号采集

为更好地对桩的质量进行分析和判断，在测试前应收集包括以下各项资料:

2.1.1 必须对测试工地的有关资料进行全面的收集和了解，其中包括收集工地的地质资料，查阅岩土的物理力学指标，弄清土层的分布和走向，特别要了解在基桩长度范围各地层的含水量、孔隙比、压缩模量、容重、内摩擦角、地基承载力以及侧摩阻力和端阻力的建议值。

2.1.2 应查阅本工程桩的施工资料，详细了解桩的施工顺序，核准桩机型号、落距和贯入度。

2.1.3 应了解混凝土的配合比，钢材的规格，钢筋笼的长度，水泥、骨料规格以及试块的抗压强度，并参阅测试桩的充盈系数，塌落度和龄期等。

2.1.4 应查阅基桩施工记录，特别应了解工地内基桩施工过程中曾出现的事故及事故处理过程。

2.1.5 应收集工地在施工过程中进行井径和沉渣测试的资料，以便分析桩的扩径和缩颈与地层和施工的关系。

2.2 信号分析处理

现场测得的时域波形虽然存在不同程度的干扰，但其仍旧是不可替代的原始资料，因此，对其进行分析和判断，是室内资料处理过程中较为重要的一步。

3 要点分析

3.1 桩头处理

在现场信号采集工作中，桩头的处理是测试成功的第一关键，但在大多情况下，很多测试人员忽略了这一点。由于施工的原因，往往桩头部分有素混凝土（浮浆），这层浮浆杂质多，有许多小蜂窝、强度低，对应力波传播衰减很快，使应力波不能沿桩身向下传播，所测得的时域波形不能反映桩的其实情况。有些测试人员忽略了对桩头的处理，直接就在素混凝土（浮浆）上进行测试，结果无论怎么改变传感器以及传感器的安装，无论怎么改变振源，测试信号都不理想，往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲。一般情况下，桩头应为达到设计标高的有效桩头，必须凿去表面浮浆，处理到有新鲜含骨料的混凝土为止，且桩头不能破碎，含水，不能有杂物，要尽量保证桩头干净，平整。测点必须用电动砂轮打磨，以便安装传感器，测点处不得留有任何缺陷，测点位置应位于距桩心2/3倍半径左右，有利于传感器的安装和力棒的锤击。以消除表面波对所采集信号的干扰，这点对大直径桩(桩身直径大于0.80m)显得尤为重要。

3.2 传感器的选择与安装

传感器是基桩反射波检测中最基本的重要测试元件之一，它直接与被测桩相连接，将机械振动参量换成电信号，它的性能参数的好坏，直接影响到转换电信号的数据是否真实地反映桩本身的反射信息。传感器与被测桩之间，应刚性接触为一整体，这样的传递特性为最佳，测试的信号也越接近桩体表面的质点运动。传感器的频率响应特性应能满足不同的测试对象、不同测试目的的需要。当检测长桩的桩端反射信息或深部缺陷时，应选择低频性能好的传感器；当检测短桩或桩的浅部缺陷时，应选择加速度器或宽频带的速度传感器。对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4半径处；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成90°夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。对于直径在600mm以上的钻孔（人工挖孔）灌注桩，应放置2-3个传感器，有条件时在桩上分别放置高阻尼加速度计及速度传感器，通过对多重信号的对比分析，增加信号分析的准确性。

3.3 激振锤与锤击点的选择

反射波法测桩时，应准备几种锤头，对长大桩测试一般应当用力棒或大铁球或击振，其重量大、能量大、脉冲宽、频率低、衰减小，适宜于桩底及深部缺陷的检测，桩底及深部缺陷的信号反射较强烈。但由此很容易代来浅层缺陷和微小缺陷的误判和漏判。当根据信号发现浅层部位异常时，建议用小钉锤或钢筋进行击振，因其重量小、能量小、脉冲窄、频率高，可较准确的确定浅层缺陷的程度和位置。

经常有测试人员拿把小锤去测长大桩，并反映很难测到桩底反射。按以上的原理，这样的测法是不正确的。由于小锤重量小、能量小、脉冲窄、频率高、衰减快，因此信号在桩身中传播有可能未到桩底就衰减完或即使传到桩底反射回来的信号也很微弱极难分辨。由此可见，用小锤测长大桩，并想得到桩底反射，大多数情况下是很困难的。另外，敲击质量的高低将直接影响到测试结果的优劣，要由经验丰富的熟练工人来操作。在激振过程中要求落锤尽量垂直，有利于抑制质点的横向振动；激振时尽可能短，并不要连激，防止后继波的干扰；激振能量要适中，频谱成份的主频与桩身的形状、材料的物理性质相适配，以使应力波得到最佳的传播。

4 低应变反射波法的局限性与改进分析

在实际工程检测中，利用测得反射波曲线信号准确地判断桩身质量，排除工程隐患，对基桩的质量评价是至关重要的。但工程中经常出现对桩基检测结果的误判，致使工程技术人员对该种检测方法的可靠性提出质疑。低应变存在的一系列局限性，导致检测的不确定度高，需要人为掌握的尺度多，所以在得不到解决的时候，其结果会令人难以接受。

对长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷，低应变反射波法无法正确测量。高频信号传不下去，测试范围有限，低频信号分辨率不够，容易漏判缺陷等等。对此必须加以改进。

检测过程中对分析结果的影响因素较多，如施工噪音等；计算公式为二元一次方程，桩长和波速很多时候都是未知的，平均波速与砼强度之间的关系无法准确给出。所以存在多解；定性分析结果人为因素多，不能够得出定量分析结果；经验因素多，理论依据少。在整个检测过程中基本无法完全依据理论来判定检测结果；低应变技术并不是定量测试，就连缺陷的位置都是估算的，桩长也是估算的，仅仅只能将缺陷程度定性给出。就算使用目前的双加速度计测试，也仅仅是推算。无法获取整个桩身的完整性信息，离委托方的期望值相差较远；多节预制桩的检测中，只能测出来上段的完整性以及接桩是否良好。中下段，低应变技术是无能为力的，因为桩身不连续。若桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易误判。部分实际存在的缺陷，并不能明确体现在波形曲线中。