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[摘要]介绍了低应变检测在检验桩身质量完整性方面的应用和发展,讨论了低应变检测的原理，方法和步骤。对低应变检测方法在桩基检测领域应用的优点和存在的不足进行了综合论述。同时对低应变检测在工程实际中存在的难点问题，如桩身平均波速确定﹑浅部缺陷识别及低应变定量化等问题进行了分析和探讨，结合工程案例对桩基检测中桩身平均波速确定问题进行了详细论述。
[关键字]低应变检测桩基工程平均波速发展
1 引言
桩基础是目前工程结构中被广泛采用的基础类型，目前在全部工程结构基础中占有相当大的比例。由于它是地下隐蔽结构物，在施工过程中极易出现各类缺陷。例如国外在现场灌注桩施工中桩身出现缺陷的概率约为15%~20%，国内这一概率约为20%左右。因此，对桩基础进行全面质量监督是十分必要的。
2 低应变检测技术的发展和检测原理
低应变检测技术是本世纪80年代由欧美等国运用地球物理勘探的纵波浅层反射法配合高分辨率的野外数据采集系统和数据电算处理技术，以电子检测技术和结构动力学分析为基础的一种新兴的检测方法。低应变检测是目前国内外检查桩身质量最为快速有效的手段，特别是其中的反射波法。例如美国PDI 公司生產的P.I.T 桩身完整性检测仪从软件到硬件的长足发展和良好的应用效果，低应变检测已经得到工程技术界的普遍认可和采用。
低应变检测在检验桩身质量完整性方面具有其他检测方法不可替代的优势，如设备简单，方法快速，费用低，是普查桩身质量的一种有力手段，最受建设单位和施工单位的欢迎。《基桩低应变动力检测规程》规定对于一柱一桩的建筑物或构筑物,全部基桩应进行检测。非一柱一桩时，应按施工班组抽测，抽测数量应根据工程的重要性，抗震设防等级，地质条件，成桩工艺，检测目的等情况，由有关部门协商确定。检测混凝土灌注桩桩身完整性时，抽测数不得少于该批桩总数的20%，且不得少于10根。检测混凝土灌注桩承载力时，抽测数不得少于该批桩总数的10%，且不得少于5根。对混凝土预制桩，抽测数不得少于该批桩总数的10%，且不得少于5根。当抽测不合格的桩数超过抽测数的30%时，应加倍重新抽测。加倍抽测后，若不合格桩数仍超过抽测数的30%，应全数检测。对于采用声波透射法时，加倍重新抽测可采用其他检测方法。
低应变检测基本原理：首先在桩身顶部进行竖向激振，产生弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接收放大、滤波等数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级，还可根据视波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对，现场测试布置见图。
激振锤 P•I•T桩基数据处理
检测仪系统
地 面
D
桩身
低应变现场数据采集装置示意图
依据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征，推定单桩的完整性及完整性类别。低应变桩身完整性评价标准：
类别 评价
Ⅰ桩身完整，波速正常，测试曲线波形规则，桩底反射清晰，无不良缺陷
Ⅱ桩身基本完整或有轻微缺陷，测试曲线波形基本规则，波速基本正常，可见桩底反射
Ⅲ桩身存在明显缺陷，缺陷相位明显，一般有二次反射且无桩底反射，或波速较低，频率降低，测试曲线波形不规则
Ⅳ 桩身存在严重缺陷或断桩，缺陷相位出现多次反射，无桩底反射，或波速严重偏低，测试曲线波形极不规则
桩身混凝土波速νp 、桩身缺陷的深度L′可分别按下列公式计算：
低应变检测检测步骤如下：
1.清理整平桩头；
2.调试仪器，选择适当参数；
3.将加速度传感器垂直安放在桩头的平整部位；
4.用小棰在桩头选择适当的能量激振；
5.选取较为理想的波形曲线并存储；
6.将数据传输至计算机，对记录曲线进行分析、计算，并评价桩身质量。
3 低应变检测的优点和存在的不足
虽然低应变检测在检验桩身质量完整性方面具有其他检测方法不可替代的优势，但有些人将小应变奉为屡试不爽的权威方法，这显然也是不科学的。低应变检测作为一种桩身结构完整性检测方法,具有较完善的理论基础和较先进的诊断技术,广泛应用于工程实践中,但低应变检测仍是一门发展中的实用技术,在应用中还存在一些有待解决的问题,且此方法有其自身的适用范围和局限性,随着应用普及必然带来认识上的错误和使用中的混乱,非合理应用也必然影响了其科学性与准确性,阻碍了其正常发展。低应变有它自己的适用条件，同时也有其局限性。例如在工程实践中，桩长较短的人工挖孔桩用低应变检测桩身质量，容易误判，这种情况在多个工程现场都有发现。如依此判断结果选取抽芯桩将不能准确反映桩的实际质量情况，甚至会造成严重的工程质量事故。
低应变检测方法的局限性具体表现在：
1.对于多缺陷桩，应力波在桩中产生多次反射和透射，对实测波形的判断非常复杂且不准确，第二、第三缺陷的判断会有较大误差，一般不判断第三个缺陷；
2.不能定量计算桩底沉渣厚度。对端承桩的嵌岩效果只能做定性判断。因嵌岩有时出现较强的负向反射波，会严重影响桩底反射波和桩底沉渣的判断；
3.只能对桩身质量作定性描述，不能作定量分析。不能识别纵向裂缝，能反映水平裂缝和接缝，但程度很难掌握，易误判为严重缺陷；
4.桩身渐变扩径后的相对缩径易误判为缩径，渐变缩径或离析且范围较大时，缺陷反射波形不明显；
5.不能提供桩身混凝土强度。
通过低应变检测在工程实践中的广泛使用，以及低应变测试原理的相关计算公式可以分析出，低应变检测主要涉及三个参数，即桩长﹑桩身平均弹性波速及反射时间。由于反射时间可以利用P.I.T 等先进的检测仪器精确地量测，另外两个未知量其中之一就必须首先进行假定，因此低应变本身存在着先天不足，它直接影响到检测结果的精度及低应变的定量化，在实际检测中面临着很多问题。作为从事桩基检测的工程技术人员来讲，针对这些突出难点问题结合大量的工程实际问题进行分析与探讨是十分具有实际意义的。
4 工程实际应用举例
由于篇幅原因，不可能将上述问题一一进行论述。接下来，就将低应变检测中的桩身平均波速问题进行分析总结。
桩身平均弹性波速是低应变检测中十分重要的参数。通常在计算桩长时，根据测试原理公式和桩身混凝土强度等级，假定一平均波速经验值，由实测桩底双程旅行时间来得到桩长。但是桩身波速与混凝土强度之间尚没有明确的关系，有人认为桩身混凝土强度在C18以下时与平均波速之间呈线性的，超过C18 呈非线性，这种说法虽然有一些道理，但在实际计算中很难把握，所以较为准确地给定桩身平均波速常常不是一件容易的事。如图1 为一根桩长26m、砼强度C25 的完整桩，实测曲线在指数放大15 倍后可以清楚的看到桩底反射，给定波速3900m/s 时等于设计桩长；而给定3600m/s 时，桩长为24m，二者竟相差2m 桩长，如图2 所示。
图1 平均波速3900m/s 时图2 平均波速3600m/s 时
至于缺陷桩，由于桩身平均波速的不确定性很难准确计算缺陷位置。如图3 为一根桩长19m、砼强度C20 的缩径缺陷桩，当平均波速3350m/s 时，满足设计桩长，计算缺陷位置为9.4m 处；当平均波速3000m/s 时，计算缺陷位置为8.2m，二者相差1.2m，如图4 所示。
图3 平均波速3000m/s 时图4 平均波速3250m/s 时
混凝土在现场搅拌时即使同一工地由于种种原因经常与设计混凝土配合比出入较大，使得混凝土强度不稳定，这也是造成桩身平均波速难于准确假定的一个原因。因此，在同一工地桩身平均波速也是变化的，用同一波速计算不同桩的桩长和缺陷位置显然不合理。要想提高检测精度只有全面掌握相关资料，如场地勘察报告、施工记录等进行综合分析及计算。
另外一种桩基检测领域的普遍认识认为，当桩身存在缺陷时一定减小平均波速。这是符合理论依据的，但在实践中常常发现有些缺陷，特别是较轻的缺陷并没有明显的影响平均波速，有时还略高于同场地的完整桩。在工程实际中多种常见桩型的施工和自检，就经常发现上述情况，因此认为在实际计算中应冲破传统限制，根据实际情况确定桩身平均波速。
5 结语
总之，低应变检测在检验桩身质量完整性方面具有其他检测方法不可替代的优势，但在一些工程实际中也存在着一些不足和尚待改进的地方。如低应变检测计算方法存在单条曲线多未知数的先天不足，在定量化的过程中单独依靠低应变方法本身是不可能实现的，应辅助其它检测手段等。
工程检测人员进行低应变检测判定桩身完整性时，应综合勘察、施工等多种资料。为了充分保证检测结果的准确性，检测人员应该亲自参与勘察、施工，深入熟悉有关地层情况，掌握施工中容易产生影响桩身质量的施工因素。作为一名检测人员只有具备全面综合知识才能在现有技术条件下提高检测水平。相信随着业内人士在低应变检测领域工程经验的不断积累，专业技术的不断完善和科研人员在该领域的深入研究，低应变检测一定会日臻完善和成熟。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
[关键字]低应变检测桩基工程平均波速发展
1 引言
桩基础是目前工程结构中被广泛采用的基础类型，目前在全部工程结构基础中占有相当大的比例。由于它是地下隐蔽结构物，在施工过程中极易出现各类缺陷。例如国外在现场灌注桩施工中桩身出现缺陷的概率约为15%~20%，国内这一概率约为20%左右。因此，对桩基础进行全面质量监督是十分必要的。
2 低应变检测技术的发展和检测原理
低应变检测技术是本世纪80年代由欧美等国运用地球物理勘探的纵波浅层反射法配合高分辨率的野外数据采集系统和数据电算处理技术，以电子检测技术和结构动力学分析为基础的一种新兴的检测方法。低应变检测是目前国内外检查桩身质量最为快速有效的手段，特别是其中的反射波法。例如美国PDI 公司生產的P.I.T 桩身完整性检测仪从软件到硬件的长足发展和良好的应用效果，低应变检测已经得到工程技术界的普遍认可和采用。
低应变检测在检验桩身质量完整性方面具有其他检测方法不可替代的优势，如设备简单，方法快速，费用低，是普查桩身质量的一种有力手段，最受建设单位和施工单位的欢迎。《基桩低应变动力检测规程》规定对于一柱一桩的建筑物或构筑物,全部基桩应进行检测。非一柱一桩时，应按施工班组抽测，抽测数量应根据工程的重要性，抗震设防等级，地质条件，成桩工艺，检测目的等情况，由有关部门协商确定。检测混凝土灌注桩桩身完整性时，抽测数不得少于该批桩总数的20%，且不得少于10根。检测混凝土灌注桩承载力时，抽测数不得少于该批桩总数的10%，且不得少于5根。对混凝土预制桩，抽测数不得少于该批桩总数的10%，且不得少于5根。当抽测不合格的桩数超过抽测数的30%时，应加倍重新抽测。加倍抽测后，若不合格桩数仍超过抽测数的30%，应全数检测。对于采用声波透射法时，加倍重新抽测可采用其他检测方法。
低应变检测基本原理：首先在桩身顶部进行竖向激振，产生弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接收放大、滤波等数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级，还可根据视波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对，现场测试布置见图。
激振锤 P•I•T桩基数据处理
检测仪系统
地 面
D
桩身
低应变现场数据采集装置示意图
依据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征，推定单桩的完整性及完整性类别。低应变桩身完整性评价标准：
类别 评价
Ⅰ桩身完整，波速正常，测试曲线波形规则，桩底反射清晰，无不良缺陷
Ⅱ桩身基本完整或有轻微缺陷，测试曲线波形基本规则，波速基本正常，可见桩底反射
Ⅲ桩身存在明显缺陷，缺陷相位明显，一般有二次反射且无桩底反射，或波速较低，频率降低，测试曲线波形不规则
Ⅳ 桩身存在严重缺陷或断桩，缺陷相位出现多次反射，无桩底反射，或波速严重偏低，测试曲线波形极不规则
桩身混凝土波速νp 、桩身缺陷的深度L′可分别按下列公式计算：
低应变检测检测步骤如下：
1.清理整平桩头；
2.调试仪器，选择适当参数；
3.将加速度传感器垂直安放在桩头的平整部位；
4.用小棰在桩头选择适当的能量激振；
5.选取较为理想的波形曲线并存储；
6.将数据传输至计算机，对记录曲线进行分析、计算，并评价桩身质量。
3 低应变检测的优点和存在的不足
虽然低应变检测在检验桩身质量完整性方面具有其他检测方法不可替代的优势，但有些人将小应变奉为屡试不爽的权威方法，这显然也是不科学的。低应变检测作为一种桩身结构完整性检测方法,具有较完善的理论基础和较先进的诊断技术,广泛应用于工程实践中,但低应变检测仍是一门发展中的实用技术,在应用中还存在一些有待解决的问题,且此方法有其自身的适用范围和局限性,随着应用普及必然带来认识上的错误和使用中的混乱,非合理应用也必然影响了其科学性与准确性,阻碍了其正常发展。低应变有它自己的适用条件，同时也有其局限性。例如在工程实践中，桩长较短的人工挖孔桩用低应变检测桩身质量，容易误判，这种情况在多个工程现场都有发现。如依此判断结果选取抽芯桩将不能准确反映桩的实际质量情况，甚至会造成严重的工程质量事故。
低应变检测方法的局限性具体表现在：
1.对于多缺陷桩，应力波在桩中产生多次反射和透射，对实测波形的判断非常复杂且不准确，第二、第三缺陷的判断会有较大误差，一般不判断第三个缺陷；
2.不能定量计算桩底沉渣厚度。对端承桩的嵌岩效果只能做定性判断。因嵌岩有时出现较强的负向反射波，会严重影响桩底反射波和桩底沉渣的判断；
3.只能对桩身质量作定性描述，不能作定量分析。不能识别纵向裂缝，能反映水平裂缝和接缝，但程度很难掌握，易误判为严重缺陷；
4.桩身渐变扩径后的相对缩径易误判为缩径，渐变缩径或离析且范围较大时，缺陷反射波形不明显；
5.不能提供桩身混凝土强度。
通过低应变检测在工程实践中的广泛使用，以及低应变测试原理的相关计算公式可以分析出，低应变检测主要涉及三个参数，即桩长﹑桩身平均弹性波速及反射时间。由于反射时间可以利用P.I.T 等先进的检测仪器精确地量测，另外两个未知量其中之一就必须首先进行假定，因此低应变本身存在着先天不足，它直接影响到检测结果的精度及低应变的定量化，在实际检测中面临着很多问题。作为从事桩基检测的工程技术人员来讲，针对这些突出难点问题结合大量的工程实际问题进行分析与探讨是十分具有实际意义的。
4 工程实际应用举例
由于篇幅原因，不可能将上述问题一一进行论述。接下来，就将低应变检测中的桩身平均波速问题进行分析总结。
桩身平均弹性波速是低应变检测中十分重要的参数。通常在计算桩长时，根据测试原理公式和桩身混凝土强度等级，假定一平均波速经验值，由实测桩底双程旅行时间来得到桩长。但是桩身波速与混凝土强度之间尚没有明确的关系，有人认为桩身混凝土强度在C18以下时与平均波速之间呈线性的，超过C18 呈非线性，这种说法虽然有一些道理，但在实际计算中很难把握，所以较为准确地给定桩身平均波速常常不是一件容易的事。如图1 为一根桩长26m、砼强度C25 的完整桩，实测曲线在指数放大15 倍后可以清楚的看到桩底反射，给定波速3900m/s 时等于设计桩长；而给定3600m/s 时，桩长为24m，二者竟相差2m 桩长，如图2 所示。
图1 平均波速3900m/s 时图2 平均波速3600m/s 时
至于缺陷桩，由于桩身平均波速的不确定性很难准确计算缺陷位置。如图3 为一根桩长19m、砼强度C20 的缩径缺陷桩，当平均波速3350m/s 时，满足设计桩长，计算缺陷位置为9.4m 处；当平均波速3000m/s 时，计算缺陷位置为8.2m，二者相差1.2m，如图4 所示。
图3 平均波速3000m/s 时图4 平均波速3250m/s 时
混凝土在现场搅拌时即使同一工地由于种种原因经常与设计混凝土配合比出入较大，使得混凝土强度不稳定，这也是造成桩身平均波速难于准确假定的一个原因。因此，在同一工地桩身平均波速也是变化的，用同一波速计算不同桩的桩长和缺陷位置显然不合理。要想提高检测精度只有全面掌握相关资料，如场地勘察报告、施工记录等进行综合分析及计算。
另外一种桩基检测领域的普遍认识认为，当桩身存在缺陷时一定减小平均波速。这是符合理论依据的，但在实践中常常发现有些缺陷，特别是较轻的缺陷并没有明显的影响平均波速，有时还略高于同场地的完整桩。在工程实际中多种常见桩型的施工和自检，就经常发现上述情况，因此认为在实际计算中应冲破传统限制，根据实际情况确定桩身平均波速。
5 结语
总之，低应变检测在检验桩身质量完整性方面具有其他检测方法不可替代的优势，但在一些工程实际中也存在着一些不足和尚待改进的地方。如低应变检测计算方法存在单条曲线多未知数的先天不足，在定量化的过程中单独依靠低应变方法本身是不可能实现的，应辅助其它检测手段等。
工程检测人员进行低应变检测判定桩身完整性时，应综合勘察、施工等多种资料。为了充分保证检测结果的准确性，检测人员应该亲自参与勘察、施工，深入熟悉有关地层情况，掌握施工中容易产生影响桩身质量的施工因素。作为一名检测人员只有具备全面综合知识才能在现有技术条件下提高检测水平。相信随着业内人士在低应变检测领域工程经验的不断积累，专业技术的不断完善和科研人员在该领域的深入研究，低应变检测一定会日臻完善和成熟。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看