低应变法在旋挖桩基检测中的综合运用

陈广略

（佛山市南海区建筑工程质量检测站，广东佛山 528200）

0 引言

在建设工程中，经由旋挖钻机施工而形成的桩型被称为旋挖钻孔灌注桩，简称旋挖桩。作为一种具有较强先进性的桩基施工工艺，旋挖桩已经在我国铁路、公路、桥梁、大型建筑基础桩施工环节得到了较为广泛地应用。桩基础作为工程建筑体中的“承重”结构，对其质量有极其严苛的要求。基于此，在完成桩基施工之后，技术人员需要采用一系列特定方法，对桩基的质量进行检测，只有检查结果符合各项规定后方可进行下一阶段的施工。低应变法作为一种检测桩基综合质量的方法，近年来同样得到了较为广泛地运用，值得重点分析。

1 低应变法内涵简析

1.1 低应变法的基本应用原理

低应变法是建设工程中常用的检测方法，主要用于对桩基桩身的完整程度、是否存在缺陷、缺陷所在位置及严重程度等进行检测[1]。需要注意的是，低应变法是一个泛性概念，即有多种用于检测桩基础的方法都属于低应变法的范畴。现阶段，国内外广泛应用且公认能够取得较为理想的检测效果的方法为“瞬态冲击”法，主要原理是，对桩基桩顶处的加速度、速度响应时域曲线进行检测，之后结合一维波动理论，实现对桩基完整性的检测。这种瞬态时域分析法又被称为反射波法，其中的“反射波”为应力波，具体来说，一个具有一定体积、在一定空间范围内存在的介质的某处区域突然受到了一种扰动作用。而在这种扰动作用的影响下，介质会在不同程度上变形。当这种“变形”沿着介质，从扰动初始作用点开始向远处传播的过程即为应力波。

借助应力波及低应变法检测桩基完整性的原理有点类似于人们在日常生活中买西瓜时，会通过对西瓜表面进行拍击，之后通过听回声的方式，判断西瓜瓤的长势，最终决定买哪一个西瓜的过程。如果将对象换成应力波和桩基，则检测过程实际上是应力波在桩身中传播的过程。具体来说：①使用设备锤击桩顶端面，接触位置便形成了振源。②传播介质是桩身，具有“一维直杆”的特性。③应力波从锤击位置产生。如果将桩顶端面视为平面（水平方向），那么锤击发生之后，主要的应力波传播方向应该是竖直向下。一般情况下，应力波传播的距离达到一倍桩径～二倍桩径时，波振面才会逐渐恢复为平面[2]。④应力波在自由端完整桩中的传播过程如图1、图2 所示。需要注意，入射波与反射波是同相的，桩底反射与入射波同样是同相的。

图1 应力波在自由端完整桩中的传播效果（一）

图2 应力波在自由端完整桩中的传播效果（二）

基于应力波低应变法检测桩基完整性时，随着桩身波阻抗的变化，会产生相应的反射。技术人员通过对该应力波反射波的幅度变化情况、相位、应力波传播至特定位置的到达时间等参数进行收集、分析，可以得出桩身是否存在缺陷、缺陷大小、缺陷性质、缺陷位置等信息[3]，最终给出与桩基完整性有关的检查结论。

1.2 低应变法应用于建设工程检测时的原则

应力波低应变法应用于建设工程旋挖桩基检测时，需遵循如下原则。

（1）在桩基施工完成后，应首先针对桩基完整性进行检测，之后对桩基承载力进行检测。

（2）如果桩基具有较大的基础埋深，则应在基坑开挖基底标高位置后方可开展桩身完整性检测。

（3）如果基于低应变法的桩身完整性检测结果显示，Ⅲ、Ⅳ类桩的数量总和超过抽检桩数总量的1/5 时，可在检测其他尚未接受检测的桩基时沿用低应变法。

（4）具体的抽检数量原则如下：①承台抽检桩数量至少应为1 根。②如果桩基施工所在地区地下结构较为复杂，或是成桩质量可靠性较低，则抽检桩数不得低于桩总数的1/3，具体值不得低于20 根，以后者为主。针对其他桩基工程，抽检占比不低于总数1/5，具体值不低于10 根，同样以后者为主。

2 基于低应变法检测旋挖桩基

2.1 前期准备工作

2.1.1 明确接受检测的旋挖桩基标准

基于应力波低应变法检测旋挖桩基之前，首先需要做好桩基准备工作。其中，待检桩基的混凝土强度必须已经达到设计强度的70%，且能够承受至少15MPa的压力。此外，桩头的材质、强度、截面尺寸必须与桩身基本一致，桩顶面的平整度、密实度均应达到要求且应当与桩轴线保持垂直关系。

2.1.2 明确参数设定相关要求

基于低应变法检测旋挖桩基时，相关参数设计要求如下：①时域信号记录时间段长度至少需要达到5ms，用于分析的幅频信号的频率范围上限值至少需要达到2000Hz[4]。②所谓“桩身长度”是指桩顶的测点到桩底的施工桩长，桩身截面积即为施工截面积。③施加在桩身的应力波波速并不是一个固定值，需要以工程所在地其他工程中同类型桩基的测试值作为参考依据，进而科学设定。④采样时间间隔、采样频率两项参数需要根据桩长、桩身应力波传播速度、频域分辨率等进行合理选择及设定。其中，时域信号的采样点数至少应该达到1024 点。

2.1.3 明确低应变法测量传感器安装及激振操作的相关规定

在应用低应变法测量旋挖桩基时，测量传感器是核心组件，与该组件安装位置等有关的安装作业要素如下。

（1）需要将传感器安装在与桩顶面保持垂直几何关系的区域。

（2）为确保测量及传输结果的准确性，一般需要使用耦合剂作为黏结剂，必须确保黏结强度达到要求。

（3）基于旋挖桩基的类型（即桩基是实心桩基还是空心桩基），测量传感器的安装位置以及激振锤击点位选择存在差异性，具体如图3 所示。具体来说，如果是实心桩基，则激振锤击点位应该选在桩基截面圆心位置；测量传感器应安装在2/3 半径（从圆心点位向外计算）位置，在东、南、西、北4 个方向分别安装一个（需要注意，方向并不固定，可在2/3 半径长度终端点位构成的圆边上任意选择，但顺时针或逆时针方向相邻两个点位与圆心之间的连线应该具有垂直的关系）。如果是空心桩基，则激振锤击点位需要与测量传感器安装在同一个水平面上，与庄中心连线之间形成的夹角应该保持90°，具体位置应该选在桩壁厚度一半位置[5]。

图3 实心及空心桩基的测量传感器安装位置及激振锤击点位

安装测量传感器以及选择激振锤击点位时的注意事项如下：①激振锤击点位与测量传感器安装位置应该不受桩基钢筋笼主筋的影响。②激振锤击方向一般需要沿着轴线方向。③如果采用稳态激振测量法，则技术人员必须针对每一个设定的频率捕捉同样保持稳定状态的应力波传播相应信号，并且还应根据桩径、桩长、桩周土的约束情况，对激振力度进行科学调整。如果采用瞬态激振测量法，则可直接在施工现场开展敲击试验，根据相关结果科学选择激振力锤的重量以及配套的锤垫。

2.1.4 了解应力波信号的采集及筛选控制要素

信号采集及筛选方面的控制要素如下：①根据桩径大小，沿着桩心布置2～4 个检测点位，两两之间均应保持对称关系。在后续进行信号采集时，应从每个点位至少采集3 个有效信号。②检测到的信号不能被直接用于分析，而是应该进行判断，确定信号是否能够真实反映桩身的完整性特征。③如果多个检测点位得到多次实测时域信号缺乏一致性，技术人员应该分析导致该现象的原因，必要时可以增加检测点位的数量。④如果信号失真或是产生了“零漂”，则这类信号不应用于分析。

2.2 具体检测分析

2.2.1 检测作业流程

基于应力波低应变法检测旋挖桩基的流程如下：①完成对桩头的处理。②连接检测仪器。③安装传感器。④设置检测程序。⑤锤击并采集信号。⑥分析信号并生成结果。

2.2.2 针对桩头的处理

针对桩头进行处理的要素如下：①如果发现桩头存在浮浆，则应将之凿掉，之后将桩头打磨平整。②如果桩头表面较为湿润，应使用吹风机等设备，将桩头表面杂物全部吹干并确保干燥程度达到要求。

2.2.3 检测仪器设备的连接

首先，将分体机的交流电源接线接到相关设备的插口处。其次，按照提示将分体机后面板的接线依次插入对应位置，不可混淆顺序。再次，将加速度传感器连接到合适位置。最后，试运行设备，检查是否出现线路连错位置的情况。

2.2.4 传感器的安装

传感器的耦合方法包括黄油耦合、橡皮泥耦合、口香糖耦合等，无论采用哪一种方式，都应确保传感器与桩头紧密粘合在一起，紧密程度越高越好。

2.2.5 检测程序的设置

启动基桩动测仪设备之后，点击相关按键，从主操作界面进入设置界面；之后在“采样方式”处选择“连续采样”，之后设置桩土参数。之后点击进入外界传感器设置环节，确保传感器连接的通道和类型的一致性。

2.2.6 信号采集

将信号采集仪的开关打开，进入主操作界面后按下“采样”按键。屏幕中此时会出现对应的“锤击数”参数，仪器会进入采样等待状态。敲击后，相关信号会呈现在屏幕之中，即可对信号进行采集，之后对参数进行分析，形成波形并得出结论。

2.3 案例分析

某旋挖桩基桩长达到33m，桩径为1.35m，浇筑的混凝土强度为C35。采用低应变法检测该旋挖桩基的完整性（内部有无缺陷）时，从桩顶端部向下发射应力波，初步检测到的波形变化趋势如下：在开始的一段时间内，波动升高→降低→再升高→再降低，但随着时间的推移，波动幅度逐渐降低，波形逐渐趋于平稳。对该波形进行分析后，得出的结论如下：①仅仅从波形上并未收到来自桩底波动信号的反馈结果。②可视为应力波传播速度保持不变。根据波形提示结果，从桩顶向下，约5.0m 处出现第一个“波形谷底”，可初步推断此处存在缺陷。为了验证这一结果是否准确，采用钻芯法，从桩顶区域向下钻进，最终发现在自上而下4.7～5.2m 处存在混凝土离析现象。该结果表明，低应变法用于检测旋挖桩基完整性时，相关结果较为准确。

3 结语

总体来看，低应变法应用于包括旋挖桩基在内的多种桩基础的原理是，充分利用低能量在瞬态或稳态状态下的“激振”方式，在桩顶位置完成激振作业。在此基础上，对桩顶的速度时程曲线、速度导纳曲线等进行精确测量，进而围绕波动理论及频域进行分析。相关结果可作为判定桩身完整程度的有效依据。此外，低应变法还可以对桩身是否存在缺陷、缺陷所在位置及缺陷严重程度等均进行清晰测定，对确定桩基础质量乃至工程后续质量安全均能够发挥积极作用，故在检测桩基础质量、完整性时，应推广应用低应变法，确保工程质量安全。