低应变法在桥梁桩基检测技术中的应用

文畅霆

摘要 在公路桥梁不断投入使用的过程中，基桩作为桥梁结构的重要组成部分，其质量合格与否直接影响整个桥梁的结构安全。为了对桥梁桩基检测技术进行研究，文章以某建设项目为检测依托，对无损检测低应变法技术进行研究。通过理论分析与检测数据结果的研判，低应变法不仅方便高效地对桥梁基桩进行完整性检测，也为桥梁基桩的完整性和整个工程的质量安全提供了有效保障，可为类似桥梁施工的基桩检测提供参考。

关键词 桥梁施工；桩基；低应变法；无损检测；基桩检测

中图分类号 U445.551文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0043-04

0 引言

目前，在整个桥梁工程项目建设中，各有关部门及参建单位对桥梁基桩质量也予以了高度关注。同时，受桥梁基桩施工条件影响，在施工过程中极易出现质量缺陷，而这些缺陷也将直接导致桩基出现质量问题。总体来看，桩基工程相比上部工程的施工与质量检测也更为复杂，对桥梁工程质量产生影响的威胁也更大。因此，加强桥梁桩基施工安全管理，提升桥梁桩基检测力度，对于保证公路桥梁结构的稳定性非常重要。

1 桥梁桩基的概述及常见缺陷

桥梁桩基是桥梁工程的基础形式，为了稳定承受桥梁荷载和外力作用，桥梁桩基将桥梁的支撑锚固于地下基础。其主要用于压实土壤、增加地基承载力、提高桥梁的稳定性和安全性。常见的桩基类型包括钻孔灌注桩、钢管桩和预应力桩等，具有施工方便、成本低、承载能力大等特点。桥梁桩基常见的缺陷如图1所示：

2 低应变检测技术

2.1 低应变检测技术原理

低应变检测技术是一种以应力波为基础的检测手段，其操作过程是先通过锤击桩的顶部对结构表层施加力量，从而激发出应力波。此应力波在桩身内传播时，一旦碰到不连续界面，例如蜂窝状结构、夹泥、断裂或孔洞等瑕疵，以及桩底面，都会产生反射波。这些反射波随后被安置在桩顶的传感器捕获，再通过深入分析反射波的传播时长、振幅以及波形特点，就可以对桩基的完整性进行科学评估。该方法测试快速、简单方便，且具有无损的优点，目前已被广泛应用[1-2]。

2.2 低应变检测适用范围

低应变检测方法特别适合于评估混凝土桩的桩身完整性。但在检测过程中，由于桩侧土的摩阻力、桩身材料阻尼和桩身截面距阻抗等因素影响，其能力和幅值都将在应力波传递过程中逐渐衰减，其能量往往在应力波尚未传递至桩底就已完全衰减，导致接收不到桩底反射信号，从而无法判定整根桩的完整性。因此在工程实际检测中，通常将桩长限制在5～50 m，桩径限制在1.8 m以内。当然，桩长在50 m以上也有获得桩底反射信号的情况，但由于桥梁桩基承载力要求高，大部分单柱单桩的低应变反射信号在50 m以上的桩基底部反射不明显，故作以上限制[3]。

2.3 低应变检测仪器选择

《公路工程基桩检测技术规程》（JTG/T 3512—2020）对低应变法检测仪器的主要技术性能指标进行了明确规定，这些指标必须至少满足当前实行的《基桩动测仪》（JG/T 3055—1999）中的2级标准。此外，该规程还集成了连续数据采集、迅速自动存储、实时信号显示以及信号分析处理等多项功能。

对于信号采集系统，有如下几项基本要求：

（1）数据采集与处理器中的模/数（A/D）转换器，其位数应至少达到16 bit。

（2）推荐的采样时间间隔应在5～50 μs之间。

（3）单通道采样点不宜少于1 024点。

（4）动态范围宜大于60 dB，可调、线性度良好，其频响范围应满足10～5 kHz。

目前，国内使用较广泛的基桩动测仪器有：武汉中岩科技股份有限公司生产的RSM系列基桩动测仪、美国的PIT等。此仪器适用于低应变法检测、高应变法检测、剪切波测量、地脉动测量及其他工程振动测量等。

3 低应变现场检测应用

3.1 试验前准备

试验前应预先准备好成桩工艺、桩径、桩长、龄期、强度等资料。为了确保检测数据的准确性，被检查桩的混凝土强度应不低于其设计强度的70%且不应低于15 MPa，并且其使用寿命不应少于7 d。桩头所使用的材料、强度以及截面的大小都应与桩身保持基本的一致性；桩的顶部应当平滑和紧密，并与桩的轴线保持垂直关系。同时，应预先对被检测桩的桩头进行处理，去除桩头表面浮浆，对安装传感器和激振点的地方在打磨处理后进行测试[4]。

3.2 测试参数测定

（1）应变值：通过低应变测量仪器测定样品在受力加载时的应变值。该参数可以反映样品在受力时的变形程度，是评估样品性能的重要指标。

（2）加载力：记录加载在样品上的力的大小。该参数可以了解在不同力作用下样品的应变响应。

（3）弹性模量：通过测定应变值和加载力，可以计算出样品的弹性模量。弹性模量是衡量材料刚度的物理量，对于评估材料的力学性能具有重要意义。

（4）泊松比：在某些情况下，还需要测定样品的泊松比。泊松比是材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值比值，是反映材料横向变形的弹性常数。

3.3 传感器安装

传感器的放置位置必须满足相关的标准规定。测试的表面应当平滑，检查的桩头需要凿到新鲜的混凝土表面，所有的测试点和激振点都应使用砂轮机进行磨平处理。在选择激振点的位置时，应优先考虑桩的中心，而测量传感器的最佳安装位置在距离桩中心2/3半径的地方；为了避免钢筋笼主筋的干扰，应当规避激振点和测量传感器的安装位置。传感器必须和桩基的光面紧密衔接，不能有缝隙，通常会在首检面的表面涂抹黄油。

3.4 数据的采集与整理

检测人员在做好测点布设后应立即开始数据测试，检测完成后建立数据档案，并定时对数据档案进行更新，以保证数据的可靠性和有效性。

（1）根据桩径大小，在桩心对称布置2～4个测点；对混凝土灌注桩，当桩径小于1 000 mm时，不宜少于2个测点；当桩径大于等于1 000 mm时，应布置3～4个测点；测点宜以桩心为中心对称布置。

（2）对于混凝土预制桩，当桩径小于600 mm时，不宜少于2个测点；当桩径大于等于600 mm时，不宜少于3个测点。

（3）每1个检测点所记录的有效信号数量不应少于3个，并且检测的波形必须保持高度的一致性。

（4）对实测信号进行检查，以确定其是否真实反映了桩身的完整性特点。

（5）实测信号不应出现失真或零漂现象，同时信号的幅度也不应超出测量系统的测量范围。

（6）当检测环境存在干扰时，宜采用信号叠加增强技术进行重复激振，以提高信噪比。当不同检测点及多次实测时域信号的一致性较差时，应分析原因，排除人为和检测仪器等干扰因素，重新检测或增加检测点数量。

3.5 检测数据处理

在检测获得相关数据后，应对数据进行处理分析，最后判定基桩尤其是桩基是否存在缺陷及缺陷位置，以方便工程后续处理。为了提升评估的准确性，在进行评估时，应根据表格中列出的时域信号特征或幅频信号特征进行全面的分析和评价。在此过程中，除了参考相关数据，还需要综合考虑多个因素，包括缺陷的深度、测试信号的衰减特性、设计桩形、成桩工艺、地基条件以及施工情况等。

（1）确定声速的平均数值。按照以下公式计算平均值：

式中，cm——桩身波速的平均值；ci——第i根受检桩的桩身波速值，且|ci?cm|/cm不宜大于5%（m/s）；L——测点下桩长（m）；ΔT——速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差（ms）；Δf——幅频曲线上桩底相邻谐振峰间的频差（Hz）；n——参加波速平均值计算的基桩数量（n≥5）。

（2）桩声缺陷位置应按下列公式计算：

式中，x——桩身缺陷至传感器安装点的距离（m）；Δtx——速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms）；Δf?——幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差（Hz）；c——受检桩的桩身波速（m/s），无法确定时可用桩身波速的平均值替代。

通常情况下，Ⅰ类桩被视为完整的桩；Ⅱ类桩的桩身存在轻微的缺陷，但这并不会妨碍桩身结构承载能力的正常表现；Ⅲ类桩的桩身结构存在显著不足，这对其承载能力产生了不良影响；Ⅳ类桩存在明显缺点。关于桩身完整性的时域信号和幅频信号特性，请参见表1所示：

4 低应变法检测应用实例分析

贵阳市经开区某建设项目，总建筑面积4 857.2 m2，采用框架结构，地基基础设计等级为丙级，基础形式为独立基础与桩基础，场地属于建筑抗震一般地段。桩基础按端承桩设计，直径为1.2～1.8 m，桩长6.93～11.66 m，桩身混凝土强度等级为C30，施工工艺采用旋挖钻灌注方式。

采用低应变反射波法对桩身完整性进行检测，具体 检测结果见表 2 所示。

选取 26#、27# 基桩，进行低应变分析如图 2 所示。

该项目的端承桩共计检测 7 根，依据《建筑基桩检 测技术规范》（JGJ 106—2014），7 根基桩均评定为Ⅰ 类桩，详细评定结果见表 3 所示。

低应变反射波法广泛地运用于工程实践中，并已列入国家标准。在桩基施工中，桩基础检测是一种行之有效的方法。然而，受施工、地质、检测技术等诸多因素的影响，测试结果与理论曲线相比更为复杂，从而造成接收到的信号干扰大、波形复杂，使得基桩完整性等级判定困难。当前，虽然激发信号合理，但是在实际测试过程中，仍然会受到地层、桩头以及桩身断面等因素的影响。因此，如何有效地识别桩底反射或缺陷反射，是制约其推广应用的重要因素。目前，在桩基数量较多的情况下，在小规模建筑物的桩基检测中应用较多。

5 结语

在目前的工程建设中，基桩工程质量会对整个建设工程质量产生直接影响。桩基位于地下，具有较大的隐蔽性，施工难度大、影响因素多、施工过程中不可控因素多，容易产生质量隐患。因此，必须做好桥梁桩基的检测及评定工作。利用低应变技术可以快速地对桥梁桩基质量进行检测，但该技术目前也存在一定的局限性，希望能够持续优化，可以更好地为工程建设服务。

参考文献

[1]张付各， 陈小洁. 低应变法在桥梁桩基检测技术中的应用[J]. 江西建材， 2016（19）： 141+148.

[2]龙惠冰， 易峰， 卢丽萍. 低应变法在桩基检测中的应用探讨[J]. 建材与装饰， 2011（2）： 1-3.

[3]余报楚， 路靖， 吴俊. 基于低应变法桩身完整性的检测与工程实例分析. 山西建筑， 2014（5）： 51-52.

[4]孙卫强. 低应变反射波法在桥梁桩基检测中的应用[J]. 江西建材， 2012（2）： 198-199.