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【摘要】随着我国工程建设事业的快速发展，桩基础在桥梁、港口码头、高层建筑、重型厂房等工程中大量采用，已成为我国工程建设中最重要的一种基础形式。本文主要是从低应变动测的基本原理、现场测试、结果分析以及影响因素等方面阐述了低应变动测在桩基检测中的应用。
【关键词】桩基检测；低应变动测；应用
随着我国工程建设事业的蓬勃发展,桩基础在桥梁、港口码头、高层建筑、重型厂房等工程中大量采用,已成为我国工程建设中最重要的一种基础形式。由于桩基础通常在地面下或水下完成,属隐蔽工程,并且施工工序多,技术要求高,质量控制难度比较大,桩基础工程的试验和质量检验就显得格外重要。桩基础施工质量的检验,随着长、大桩径及高承载力桩基础迅速增加,传统的静载荷试验已很难实施,而低应变动力检测技术作为一种可靠的桩身质量无损检测技术,由于其检测速度快,检测成本低等因素,正在被越来越多的工程作为首选的桩身完整性检测方法。本文从低应变动测的原理出发,对低应变动力检测技术在工程中的引用进行探讨。
1.低应变动测的基本原理
低应变动测（也称反射波法）源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗界面(如桩底、断桩或严重离析等部位)或桩身截面积变化(如缩颈或扩颈)部位，将产生反射波，经接收、放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算，判断桩身砼完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。
假定桩为一维线弹性杆，其长度为 L，横截面积为 A，弹性模量为 E，质量密度为 ρ，弹性波速为 （C2=E/ρ），广义波阻抗为 Z =AρC；推导可得桩的一维波动方程：
δμ／δ2=C2δμ／δ2-R／ρA(1)
假设桩中某处阻抗发生变化，当应力波从介质Ⅰ（阻抗为 Z1）进入介质Ⅱ（阻抗为 Z2）时，将产生速度反射波 Vr 和速度透射波 Vt。
令桩身质量完好系数 β=Z1/Z2，则有
Vr= Vi×（1- β）/（1+β）
Vt= Vi×2/（1+β）
当在桩顶施加瞬时外力 F（t）时，桩内只存在下行波，波在不同的波阻抗面上发生反射，可推导出应力波在桩体中旅行的时间及其对不同结构介质桩的纵波速度：
C=2L/Δt （2）
式中：L为桩长；Δt 为桩底反射波到过时间。当桩身存在缺陷或断桩时，各界面反射波使曲线变得复杂，应认真分析波形,并选出可靠的缺陷反射时间 tx，缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定，缺陷位置根据反射波的时间 tx 由下式确定：
Lx=C×tx/2（3）
式中：C 同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值；Lx 缺陷部距桩顶的距离。
2.低應变检测的准备及注意事项
进行低应变检测时受检桩混凝土强度应超过设计强度的70%，且小于15MPa。低应变检测前的准备工作主要是桩头处理，检测前要求施工中位在桩头平面用角向磨光机在距桩身轴线2/3半径位置处理2-4个直径约2cm的平面以粘贴传感器。根据笔者的实践用黄油耦合比较合适，而且价格低廉，一般建筑工程现场就有。另外，锤垫的选取，锤垫对滤掉检测信号中的高频分量至关重要。应结合桩长和桩身尺寸以及桩身缺陷位置选取合适的锤垫，基本原则是当1/d小大于50时，能够采集到清晰的桩低反射信号。
在现场检测中应注意：第一，被测桩应凿去浮浆，桩头平整。若外露主筋过长，对测试信号产生干扰，应将其割短。第二，检测前应对仪器设备进行检查，性能正常方可使用。第三，每个检测工地均进行激振方式和接收条件的选择试验，确定最佳激振力式和接收条件。第四，激振点选择在桩头中心部位，传感器应稳2/3R处。另外，应视桩径大固地安置在距桩中心约小，选择24个测点，测点按圆周均匀分布。第五，当随机干扰较大时，可采用信号增强力式，进行多次重复激振与接收。第六，为提高检测的分辨率，应使用小能量激振、并选用高截止频率的传感器和放大器。第七，每一根被检测的中桩均应进行二次及以上重复测试。出现异常波形应在现场及时研究，排除影响试验的不良因素后再重复测。试重复测试的波形与原波形应具有相似性。
3.桩基检测的分析判断
单桩存在缺陷时，可根据下列波形特征对缺陷性质和严重程度进行综合判断：第一，缩颈。波形不规则，桩身界面反射明显，其中反射波与入射波同相位。可见到桩端反射波信号。第二，扩颈。波形不规则，桩身界面反射明显,其中反射波与入射波相位相反。可见到桩端反射波信号。第三，断裂或严重缩颈。看不到桩端反射，时域曲线前部仅出现缺陷界面的反射信号，且波幅衰变减慢。浅部或中部断裂桩易出现多次重复反射，深部断裂桩波形曲线与完整桩相似，但 Vc 值大于正常波速值。第四，严重离析。波形不规则，反射波幅减小，频率降低，且桩身混凝土平均波速偏低。第五，多处缺陷。当桩身存在多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析，有条件时可使作多种检测方法进行综合判断。
4.影响桩基低应变检测的因素
影响基桩质量检测波形的因素较多，工作中应逐一排除，以提高桩检的测试质量和准确性。其中，要重点考虑两个方面：第一，由于灌注桩考虑到以后的承台问题，桩头均有钢筋露出，这对实测波形有一定影响，严重时影响反射信息的识别。这是因为在桩头激振时，钢筋所产生的回声极易被传感器接收，之后又与反射信息叠加在一起。克服这一影响因素的方法是，将传感器用细砂或粘土屏蔽起来，使传感器收不到声波信息。第二，桩头破损对波形的影响。预制桩在贯入过程中,桩头可能产生破损，灌注桩头表面松散，这将使弹性波能量很快衰减，从而削弱了桩间及桩底反射信息，影响了波形的识别。有效途径是,破除桩头的缺陷部分。
5.结语
目前，桩基础己成为公路桥梁工程结构采用的主要基础形式之一，由于它是地下隐蔽结构物，目在施工过程中易出现各类质量问题，桩基检测己成为桥梁检测的重中之重。桩基低应变动测是以先进的基桩测试系统和应力波分析理论为基础，具有一定的可靠性，利用它对桩基础进行质量检测是可行的。■
【参考文献】
［１］桩基动测理论与实践.武汉岩海公司，2008.
［２］罗琪先.桩基工程检测手册[M]北京人民交通出版，2006.
［３］陈凡.建筑基桩检测技术(第一版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
［４］陈凡.刘艳玲等.建筑基桩检测技术规范,2008.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
【关键词】桩基检测；低应变动测；应用
随着我国工程建设事业的蓬勃发展,桩基础在桥梁、港口码头、高层建筑、重型厂房等工程中大量采用,已成为我国工程建设中最重要的一种基础形式。由于桩基础通常在地面下或水下完成,属隐蔽工程,并且施工工序多,技术要求高,质量控制难度比较大,桩基础工程的试验和质量检验就显得格外重要。桩基础施工质量的检验,随着长、大桩径及高承载力桩基础迅速增加,传统的静载荷试验已很难实施,而低应变动力检测技术作为一种可靠的桩身质量无损检测技术,由于其检测速度快,检测成本低等因素,正在被越来越多的工程作为首选的桩身完整性检测方法。本文从低应变动测的原理出发,对低应变动力检测技术在工程中的引用进行探讨。
1.低应变动测的基本原理
低应变动测（也称反射波法）源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗界面(如桩底、断桩或严重离析等部位)或桩身截面积变化(如缩颈或扩颈)部位，将产生反射波，经接收、放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算，判断桩身砼完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。
假定桩为一维线弹性杆，其长度为 L，横截面积为 A，弹性模量为 E，质量密度为 ρ，弹性波速为 （C2=E/ρ），广义波阻抗为 Z =AρC；推导可得桩的一维波动方程：
δμ／δ2=C2δμ／δ2-R／ρA(1)
假设桩中某处阻抗发生变化，当应力波从介质Ⅰ（阻抗为 Z1）进入介质Ⅱ（阻抗为 Z2）时，将产生速度反射波 Vr 和速度透射波 Vt。
令桩身质量完好系数 β=Z1/Z2，则有
Vr= Vi×（1- β）/（1+β）
Vt= Vi×2/（1+β）
当在桩顶施加瞬时外力 F（t）时，桩内只存在下行波，波在不同的波阻抗面上发生反射，可推导出应力波在桩体中旅行的时间及其对不同结构介质桩的纵波速度：
C=2L/Δt （2）
式中：L为桩长；Δt 为桩底反射波到过时间。当桩身存在缺陷或断桩时，各界面反射波使曲线变得复杂，应认真分析波形,并选出可靠的缺陷反射时间 tx，缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定，缺陷位置根据反射波的时间 tx 由下式确定：
Lx=C×tx/2（3）
式中：C 同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值；Lx 缺陷部距桩顶的距离。
2.低應变检测的准备及注意事项
进行低应变检测时受检桩混凝土强度应超过设计强度的70%，且小于15MPa。低应变检测前的准备工作主要是桩头处理，检测前要求施工中位在桩头平面用角向磨光机在距桩身轴线2/3半径位置处理2-4个直径约2cm的平面以粘贴传感器。根据笔者的实践用黄油耦合比较合适，而且价格低廉，一般建筑工程现场就有。另外，锤垫的选取，锤垫对滤掉检测信号中的高频分量至关重要。应结合桩长和桩身尺寸以及桩身缺陷位置选取合适的锤垫，基本原则是当1/d小大于50时，能够采集到清晰的桩低反射信号。
在现场检测中应注意：第一，被测桩应凿去浮浆，桩头平整。若外露主筋过长，对测试信号产生干扰，应将其割短。第二，检测前应对仪器设备进行检查，性能正常方可使用。第三，每个检测工地均进行激振方式和接收条件的选择试验，确定最佳激振力式和接收条件。第四，激振点选择在桩头中心部位，传感器应稳2/3R处。另外，应视桩径大固地安置在距桩中心约小，选择24个测点，测点按圆周均匀分布。第五，当随机干扰较大时，可采用信号增强力式，进行多次重复激振与接收。第六，为提高检测的分辨率，应使用小能量激振、并选用高截止频率的传感器和放大器。第七，每一根被检测的中桩均应进行二次及以上重复测试。出现异常波形应在现场及时研究，排除影响试验的不良因素后再重复测。试重复测试的波形与原波形应具有相似性。
3.桩基检测的分析判断
单桩存在缺陷时，可根据下列波形特征对缺陷性质和严重程度进行综合判断：第一，缩颈。波形不规则，桩身界面反射明显，其中反射波与入射波同相位。可见到桩端反射波信号。第二，扩颈。波形不规则，桩身界面反射明显,其中反射波与入射波相位相反。可见到桩端反射波信号。第三，断裂或严重缩颈。看不到桩端反射，时域曲线前部仅出现缺陷界面的反射信号，且波幅衰变减慢。浅部或中部断裂桩易出现多次重复反射，深部断裂桩波形曲线与完整桩相似，但 Vc 值大于正常波速值。第四，严重离析。波形不规则，反射波幅减小，频率降低，且桩身混凝土平均波速偏低。第五，多处缺陷。当桩身存在多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析，有条件时可使作多种检测方法进行综合判断。
4.影响桩基低应变检测的因素
影响基桩质量检测波形的因素较多，工作中应逐一排除，以提高桩检的测试质量和准确性。其中，要重点考虑两个方面：第一，由于灌注桩考虑到以后的承台问题，桩头均有钢筋露出，这对实测波形有一定影响，严重时影响反射信息的识别。这是因为在桩头激振时，钢筋所产生的回声极易被传感器接收，之后又与反射信息叠加在一起。克服这一影响因素的方法是，将传感器用细砂或粘土屏蔽起来，使传感器收不到声波信息。第二，桩头破损对波形的影响。预制桩在贯入过程中,桩头可能产生破损，灌注桩头表面松散，这将使弹性波能量很快衰减，从而削弱了桩间及桩底反射信息，影响了波形的识别。有效途径是,破除桩头的缺陷部分。
5.结语
目前，桩基础己成为公路桥梁工程结构采用的主要基础形式之一，由于它是地下隐蔽结构物，目在施工过程中易出现各类质量问题，桩基检测己成为桥梁检测的重中之重。桩基低应变动测是以先进的基桩测试系统和应力波分析理论为基础，具有一定的可靠性，利用它对桩基础进行质量检测是可行的。■
【参考文献】
［１］桩基动测理论与实践.武汉岩海公司，2008.
［２］罗琪先.桩基工程检测手册[M]北京人民交通出版，2006.
［３］陈凡.建筑基桩检测技术(第一版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
［４］陈凡.刘艳玲等.建筑基桩检测技术规范,2008.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”