低应变检测技术在桥梁桩基检测中的应用

摘 要：桥梁桩基工程处于地下，具有较强的隐蔽性，加上地质条件、施工技术等因素影响，桩基质量如果存在问题将对桥梁结构造成严重危害。加强桥梁桩基的检测，保证桥梁桩基质量十分必要。常见的检测方法有：静载荷试验、高应变法、低应变法、声波透射法和钻孔取芯法。由于部分检测方法具有破坏性和不可逆性，因此桥梁桩基检测中常用的低应变法和声波透射法。

关键词：低应变;桥梁基装;桩基质量;无损检测

中图分类号：TU473.16  文献标识码：A

桥梁桩基完整性是桥梁结构安全的重要保障条件之一，因此桥梁桩基的完整性检测十分必要。目前市场常见的桩基完整性的检测方法有静载荷试验、高应变法、低应变法、声波透射法和钻孔取芯法，其中静载荷试验、高应变法、钻孔取芯法对桩基具有破坏性，适用于抽样检测不适用大规模检测。低应变法检测桩基完整性，对桩基桩身、桩基结构、桩基性能没有破坏，同时较为准确准确地判定出桩身的缺陷类型、缺陷位置及缺陷大小，因此低应变法实际应用上更有优势。

1 低应变法

1.1 低应变法基本理论

低应变法[1]是指在受检桩基桩顶施加一个垂向瞬态冲击力。桩身在冲击力的作用下产生弹性波，采用可以接受位移、速度、加速度信号的传感器接收响应信号，通过对信号的时域分析或频域分析，判断桩身结构是否存在缺陷的方法。

低应变法检测桩身质量的前提条件是把桩基假定为一维弹性直杆，且假定桩周土对弹性波沿桩身传播没有影响[2]。桩身中上下两种不同介质的波阻抗分别用Z1和Z2表示，介质密度、波速、桩身截面积、弹性模量分别用ρ、c、A、E表示，其中：

令桩身质量完整性系数：

反射系数为：

当在桩顶部给一个动态力后，产生弹性波，以波速c沿桩身传播，当截面波阻抗发生变化时，会产生反射波和透射波。根据上下两种介质波阻抗的变化情况，可分为以下三种情况：

（1）波阻抗没有变化。该情况下，反射系数为0，弹性波全部透过界面传播至下端，无反射波存在。由此我们可以认为桩身完整，如果桩为嵌岩桩且桩底岩石与桩身混凝土波阻抗十分接近，桩底无反射信号。

（2）波阻抗变小。该情况下，反射系数大于0，弹性波传播到界面发生反射，反射波与入射波同相，透射波的幅度小于入射波。

（3）波阻抗变大。该情况下，反射系数小于0，弹性波传播到界面发生反射，反射波与入射波反相，透射波的幅度大于入射波[3]。

图1桩身完整，桩长为L，桩底一次反射时间为t，弹性波在桩身中传播的波速为c，则三者之间的关系为：

现场检测工作时需保证知道波速和桩长中的一个数值。

1.2 检测注意事项

为了保证低应变检测结果准确性、可靠性，降低现场不确定因素影响，在检测工作开展前，要做好如下准备工作：（1）检测前保证受检桩桩身混凝土强度不低于设计强度的70%且桩身强度不低于15Mpa，检查受检桩的材质、强度、截面尺寸与设计文件是否相符。（2）处理待检桩基桩头。（3）合理安装传感器。

2 桩基常见缺陷

2.1 桩身混凝土问题

桩身混凝土连续性均匀性不好，会导致桩身混凝土离析、夹泥、空洞。离析指桩身外表完整，内部混凝土松散。离析常见成因：成桩原料不符合标准或者混凝土配合比不当，或者施工过程中振捣不充分导致混凝土不密实，在桩身某些位置砂石比例高导致混凝土呈现蜂窝状。夹泥常见成因：成桩过程中混凝土质量把控不严格混入沙土，或者成桩过程中孔壁坍塌，周围泥土掺入桩身;空洞常见成因：混凝土中存在大颗粒砂石，振捣后混凝土仍不均匀，大量砂石的集中形成空洞。

2.2 桩身截面积问题

桩身截面积发生变化会导致扩径、缩径、断桩等问题。扩径指灌注桩的某些位置截面积明显扩大的情况，这些位置的桩径明显大于设计桩径。通常情况，扩径视为“良性缺陷”，对桩身完整性和结构没有影响。缩径指灌注桩的某些位置截面积明显变下的情况，这些位置的桩径明显小于设计桩径。通常情况，缩颈对对桩身完整性和承载力有负面影响。

3 工程实例

3.1 完整桩基

根据桩底受力情况可将桩基分为摩擦桩和端承桩，这两种桩底的波形曲线在桩底部分有所不同。摩擦桩的桩身波阻抗大于桩底土层的波阻抗，由低应变理论可知桩底反射波和入射波相位相同，端承桩波形曲线的桩底位置曲线根据桩底岩层的波阻抗与桩身波阻抗的大小而定。

案例1，西南某地区某桥桩基，设计桩长18m，桩径15m，混凝土强度为C35，桩底嵌岩，桩底岩层为弱风化粉砂岩。低应变检测波形曲线如图4，曲线平滑，桩底有同相反射信号，可判定桩身完整性良好。

3.2 桩基浅部裂痕夹泥

案例2，西南某地区某桥桩基，设计桩长16.5m，桩径10m，混凝土强度为C40，低应变曲线如图5（a）所示，由图5可知，该桩浅部存在明显缺陷，高频振荡衰减，波形曲线类似于断桩曲线，对桩浅部开挖，0.8m左右处桩身混凝土存在裂痕，截除上部混凝土后，低应变曲线图5（b）正常。

案例3，某桥墩桩基设计桩长20.5m，桩径1.0m，混凝土强度C35，低应变曲线如图6（a）所示，由图6（a）可知，桩身2m处存在明显缺陷，缺陷反射等间距，对桩基进行开挖，2m左右处发现桩身严重夹泥，混凝土连续性很差。将2m以上桩基截去重新接桩，重新检测，低应变曲线图6（b）正常。

4 结语

桩基施工过程中不可控因素较多且受施工工艺限制，可能存在桩身倾斜、缩颈、夹泥、离析、断桩等问题，对桩身完整性产生影响，桩基承载力大打折扣。采用低应变法对桩基质量进行检测，结合开挖，取芯手段验证，可以对桩身完整性较为准确的判定，避免因桩基质量问题导致的安全隐患。

参考文献：

[1]李向翠，陈国勇.反射波法在基桩完整性检测中的应用[J].地质灾害与环境保护，1999（03）：4952+57.

[2]陈凡.基桩质量检测技术[M].中國建筑工业出版社，2003.

[3]张磊.超声波透射法与低应变反射波法在基桩检测中的对比研究[D].长安大学，2012.

[4]中华人民共和国铁道部.铁路工程基桩检测技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2008.

作者简介：孔啸（1993— ），男，河南项城人，硕士，助教，研究方向：地震勘探技术、工程检测。