基于激振频率的桩基缺陷识别研究

谷学倩

【摘要】为准确判断桩基检测中的桩基缺陷，本文采用理论分析与实验研究的方法系统探讨了桩身参数、桩身缺陷类型和分布，以及桩身边界条件对低应变反射影响的规律;研究表明：不同缺陷类型的检测桩具有不同时域曲线特征，扩颈处的波形变化，但是并无明显的桩底反射;对于缩颈桩，随着缺陷程度的减小，缩颈尺寸的增大，激振锤敲击桩顶所产生的高频成分也随之增多离析处的反射波波形不规则，相位与入射波相同，但一般情况下反射不明显。

【关键词】激振频率;桩基缺陷;损伤识别;时域曲线

1、引言

目前，基于激振频率的低应变反射是基桩完整性检测的主要方法之一，已被广泛应用于各种工程的基桩完整性检测之中。由于低应变反射法检测基桩完整性受桩身形状、混凝土强度、钢筋布置、桩周地质条件的影响较大，所以极容易发生误判，且目前低應变反射波法缺乏系统的实验研究，不能对桩的完整性定量的给予判定，容易给施工工程质量埋下安全隐患。我国的桩使用量高达300万根/年，随着桩的使用数量增多，桩基质量也受到了各相关建设单位的重视。据相关资料显示，在国内危害严重的缺陷桩高达10%～20%，在国外也约有5%～10%的比例。面对如此高比例的缺陷桩，桩基完整性检测就显得愈加重要。

本文基于激振频率低应变反射法检测基桩完整性过程中存在的问题，通过模型试验，研究了不同桩基缺陷及缺陷类型对低应变反射特性的影响，提出了桩基缺陷的判定标准，能够有效解决桩基检测中缺陷分布及类型诊断的准确性。

2、实验研究

现场制作扩颈、缩颈、离析、断桩、夹泥及完整桩等情况的模拟桩。完整桩的长度为2.1m，桩径400mm。扩颈部位位于桩身中间1/3桩长，扩颈程度分别为：450mm、500mm、550mm。缩颈颈部位也位于桩身中间1/3桩长，缩颈程度分别为：350mm、300mm、250mm。断桩部位在桩身0.7m和1.4m处。离析深度分别为5cm、10cm、15cm。通过锤子敲击桩面，产生不同的激振脉冲，分析输出信号。

实验中，采用ZBL-P810基桩动测仪对混凝土桩的完整性进行检测。激振技术是反射波法检测基桩完整性的重要环节之一，对不同长度、不同类型的基桩，需采用不同材料、不同能量的激振设备。一般大长桩用大力棒（能量大、频率低），短细桩或测试浅部缺陷时用手锤（能量小，频率高），介于中间的桩则可用小力棒（能量及频率介于大力棒及手锤之间）。

3、实验结果分析

不同类别缺陷桩会产生不同的时域曲线与频域曲线，对这些波形曲线进行细致的分析比较，会发现按缺陷程度和缺陷程度的不同，曲线都有所不同。本次试验对不同程度扩颈、缩颈及离析的缺陷桩的波形图分析研究，归纳总结各缺陷桩的波形特点。

3.1 扩颈对不同激振频率响应分析

钻孔灌注桩在地下水位附近的松软土层中，经常发生扩颈现象。扩颈后桩身截面积增加，波形曲线上会出现与入射波相位相反的反射波。不同规格的缺陷桩波形曲线如图1。

由图1可知，当扩颈为450mm时，波形曲线上出现与入射波方向相反的反射波，符合扩颈检测波形特点，但是波形特征并不十分明显;基频f1大小约为频差f2-f1的二分之一，通过对频谱图的观察，当使用铝锤和铁锤敲击时，产生的激振频率幅值较大，基频相应的幅值约是一阶谐振峰的两倍以上。对于铁锤敲击的时域波形曲线图，在扩颈0.7m处有与入射波相位相反的反射波相位产生，在扩颈1.4m处有类似于缩颈的与入射波相位相同的反射波产生。能够较明显的看出缺陷桩类型。

3.2缩颈对不同激振频率响应分析

缩颈处截面积变小，波阻抗减小，应力波遇到缩颈会产生于入射波相同的反射，波形比较规则，波速一般正常。由于阻抗减小不大，一般能看见桩底反射，若缩颈部位较浅，缩颈还会出现几次反射，但是如果缩颈程度较严重，则难以看到桩底反射。不同缩颈桩激振时域曲线见图2。

由图2明显看出在缩颈处有与入射波同向的反射波产生，但是桩底反射并不明显。当缩颈尺寸为350mm时，基频大小约为频差的三分之一，基频幅值约为主频的二分之一。在频域图中，谐振峰呈现较为平滑变化这一特点。当缩颈桩的缩颈处截面积变小时，即存在波阻抗变化界面，这时在时域波形图中能见到明显的缩颈反射和桩底反射信号。在缩颈处有时还会出现几次反射信号，其时间间隔基本相等，而反射信号相位与入射波相位相同。

3.3离析对不同激振频率响应分析

离析处介质的波速和密度较正常混凝土，导致波阻抗降低，出现同相反射，这一点与缩颈类似。但是离析处的反射波形不规则，后续反射信号杂乱;计算的得到的波速偏小;一般不会掩盖桩身以下部位出现的较大的第二缺陷信号。

由图3可知，当离析10cm时，基频大小与频差基本相等，在频域图中，铁锤的敲击效果最好，有很多的高频信号产生，频域曲线上的谐振峰也呈现较为平缓的衰减，而且激振频率的幅值也较尖。在时域波形图中，有明显的离析反射特性，其波幅陡降，波频也有所降低。离析处的反射波波形不规则，相位与入射波相同，但一般情况下反射不明显。当离析时，基频大小与频差基本相等，在频域图中，铁锤的敲击效果最好，有很多的高频信号产生，频域曲线上的谐振峰也呈现较为平缓的衰减，而且激振频率的幅值也较尖。这说明在离析桩中，激振频率衰减较快。随着离析程度的不断增大，激振频率也随之急剧衰减。

结论：

对于不同缺陷类型的检测桩，有时时域曲线只能区分出扩颈与缩颈，对于缩颈与离析、离析与断桩则很难由时域曲线图中区分，这就需要通过频域曲线图进行进一步辨别，由频域图可以看出扩颈、缩颈及离析的频谱特点如下：

（1）扩颈：由时域图能明显看出扩颈处的波形变化，但是并无明显的桩底反射。基频大小约为频差的二分之一，基频相应的幅值约是一阶谐振峰的两倍以上。

（2）缩颈：缩颈处截面积变小，波阻抗减小，应力波遇到缩颈会产生于入射波相同的反射，波形比较规则，波速一般正常。对于缩颈桩，随着缺陷程度的减小，缩颈尺寸的增大，激振锤敲击桩顶所产生的高频成分也随之增多。基频幅值也随着缩颈处直径的增大而增大。

（3）离析：离析的时域图在桩底并无明显的桩底反射，波形并不规则，有与入射波同向的反射波产生，在桩身离析出也存在波阻抗变化界面。在时域波形图中，有明显的离析反射特性，其波幅陡降，波频也有所降低。离析处的反射波波形不规则，相位与入射波相同，但一般情况下反射不明显。离析桩中，激振频率衰减较快。随着离析程度的不断增大，激振频率也随之急剧衰减。

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