低应变法在桩基完整性检测中的应用研究
2019-10-12李多权安徽省建筑科学研究设计院安徽合肥230032
李多权 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032）
1 引言
随着我国建筑行业的飞速发展，越来越多的工程质量问题开始凸显。桩基工程属于隐蔽性工程，施工过程中流程复杂，对技术要求高，稍有不慎可能会出现断裂、缩扩径和混凝土离析等质量缺陷，进而对建筑物的上层结构安全性造成直接影响[1,2]。目前桩基的检测主要分为承载力检测和桩身完整性检测。在承载力检测方面，使用较广的是静载试验法和高应变法；在桩身完整性检测方面，目前使用最为简单高效的方法为低应变法，其具备仪器便携、判读直观和成本低等优点。但其结果的判别会受到特殊地质条件、施工工艺等的影响，影响判别的准确性[3]。鉴于此，本文从低应变法的检测原理出发，分析了低应变法在工程中使用时的注意事项，最后结合工程案例来对其进行验证和分析，希望能给从业人员提供借鉴。
2 低应变法的检测原理
低应变法检测原理是主要是基于弹性传播理论，在进行桩基检测时，假设桩身为连续弹性的一维均质杆件，锤击桩基的桩顶位置，引起桩身质点的震动，应力波从桩顶向下传播，当应力波在传播过程中遇到阻碍发生变化时，该处即为桩基的缺陷界面。通常来说，应力波在桩身传播时会发生透射和反射，带动新的质点振动，反射波通过桩身再次传递到桩顶时，会被桩顶的传感器接收，形成反射波形，通过分析反射波波形的参数可以推测出桩基缺陷的深度，根据其相位和幅值可以推测出桩基缺陷的类型[4]，示意图如图1所示。
图1 低应变法检测示意图
3 低应变法检测的局限性及注意事项
3.1 局限性
低应变法具备很多优点，如仪器简单便携、花费小以及检测结果可靠度高等，但其也有以下几点局限性：
①其对缺陷的评价只能是定性的分析，不能对缺陷的大小进行定量分析；
②使用低应变进行桩基检测工作时，要求获取不同地质条件、桩型条件下的静动对比系数，难度较大；
③桩基围岩的存在会减弱桩基中反射信号的传播，影响低应变法的检测效果，当被检测桩桩长大于50m，桩径大于1.8m时，获得的桩底反射信号较弱，容易引起误判；
④对于嵌岩桩来说，由于桩底岩质与桩身混凝土阻抗类似，当反射波传递至桩底时会继续向下传播，直到衰减为零，从而造成无反射波形的情况。
3.2 注意事项
为了降低上述局限性给低应变检测带来的不利影响，在进行检测工作之前，要做好以下几方面的工作。
①处理检测桩桩头。在进行检测前，要使用力棒在基桩桩头进行激振，并在桩头接受反馈的应力波信号，因桩头表面混凝土的平整度和均匀性对检测的结果影响很大，所以应对被检测桩的桩头进行处理，利用人工凿去掉桩头浮浆，保证桩头部位的平整。
②确保基桩混凝土强度达到要求。使用低应变法进行检测时，只有当混凝土的强度达到要求时才能确保检测信号的有效和准确性。《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）[5]中明确规定受检桩混凝土强度不应低于设计强度的70%且不应低于15MPa。因此在实际检测之前，应确保混凝土的龄期达到要求。
③合理安装传感器。传感器安装的正确与否将会对检测结果造成直接影响，安装传感器时应注意以下三点。首先，在安装时应保证传感器轴与桩身轴平行，否则容易使反射波和入射波产生夹角形成二维效应；其次，应使用黄油、牙膏、石膏等将传感器和桩粘结在一起，保证桩顶与传感器之间可以实现良好的耦合；最后，要注意避免其他干扰波对应力波的干扰，对于不同的桩型应按照规范布置测点和激振点。
4 工程案例
4.1 工程概况
某高层建筑为公寓楼，地上22层，地下2层，框架剪力墙结构。桩基采用预应力高强混凝土管桩PHC600AB130-10和PHC600AB130-12。为检测桩基建造后的质量，采用低应变法进行测试。本次测试采用的仪器设备为武汉岩海工程技术开发公司研制的RS-1616K(S)型24位浮点桩基动测仪，使用的传感器是朗斯测试技术有限公司的LC0154TA型内装压电加速度传感器，用安装在桩顶的传感器接收由力棒激振而在桩底及桩间反射的应力波信息，运用多通道数字滤波、指数放大、数字频谱分析等高新技术，提高了测试信噪比，保证了测试结果的可靠性。
图2 Ⅰ类桩典型曲线
图3 Ⅱ类桩典型曲线
图5 Ⅳ类桩典型曲线
4.2 测试结果分析
通过对实测曲线进行分析，可以将本工程桩身结构的完整性划分为以下四类：Ⅰ类：桩身完整；Ⅱ类：桩身存在轻微缺陷，但不影响其结构承载力的正常发挥；Ⅲ类：桩身存在明显缺陷，对其结构承载力有影响；Ⅳ类：桩身存在严重缺陷，需进行工程处理。该公寓楼经低应变法检测的管桩共有566根，根据上述单桩桩身完整性判断标准，Ⅰ类桩共有400根，Ⅱ类共有103根，Ⅲ类桩共有45根，Ⅳ类桩共有18根，图2～图5分别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类桩的典型实测曲线，图2桩身完整无缺陷，图3桩身有轻微缺陷，图4桩身存在明显缺陷，图5桩身存在严重缺陷。
5 结论和展望
随着科学技术的不断发展，低应变法检测技术也在不断改善和完善，使用低应变法来判断桩身完整性前提的条件是桩身满足连续弹性的一维均质杆件的条件，但在实际工程中，若考虑桩土作用，是不能将桩身这样简单假设的。为了解决理论与实际工程的不对应，未来关于低应变法的改进完善应从以下两个方面出发。
①建立三维的桩土模型，用有限元的方法来解决桩土动力学问题或进行信号数值模拟[6]。研究应力波在三维模型中的传递规律，使得获得的应力波理论更接近与实际工程情况。
②将小波理论和人工神经网络理论运用于低应变的检测中，小波理论可以表征信号的局部特征，对获得的振动信号进行高效的分析。可以将小波信号作为人工神经网络理论的前置处理手段，实现对桩身完整性类别和缺陷的自动分类，提高检测工作的效率，减轻检测人员的工作量。
