论文部分内容阅读
摘要：随着社会的发展，人们对高层建筑的需求不断扩大，因此混凝土桩得以迅速发展。采用低应变法对混凝土桩的检测，因其仪器设备轻便，操作简捷，检测速度快，费用低，对场地的要求小，对桩身结构非破损，波形数值准确，可对工程桩进行普查，被广泛的应用在建筑、公路桥梁、铁路工程当中。低应变法是为工程质量评判出具公平、公正、科学可靠的检测结果，是保证工程质量的重要基础和手段。那么，在低应变法检测过程中关键技术的处理及对检测数据的正确评定，是必须要注意的问题。本文就低应变法检测混凝土桩的完整性技术进行了探讨。
关键词：低应变法；检测；混凝土桩；完整性。
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1、检测原理及特点
1.1 原理及基本假设
通过在桩顶施加激振信号产生应力波，该应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面（如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷）和桩底面（即波阻抗发生变化）时，将产生反射波，检测分析反射波的传播时间、幅值、相位和波形特征，得出桩身缺陷的位置、大小、性质等信息，最终对桩基的完整性给予评价。
基本假设：桩身为一维、连续、均质、线弹性杆件，不考虑桩周土的影响，不考虑桩土耦合面的影响。
1.2 特点
用低应变法检测混凝土桩的完整性，仪器设备轻便，操作简捷，检测速度快，费用低，对场地的要求小，对桩身结构非破损而不影响其正常使用，波形数值准确，可对工程桩进行普查，被广泛的应用在建筑、公路桥梁、铁路工程当中。影响低应变法准确度的因素较多，如桩身混凝土强度、桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素。《建筑基桩检测技术规范》( JGJ/106-2003)中规定：低应变法使用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷程度及位置。理论依据是建立在一维线弹性杆件模型基础上，因此受检桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5，设计桩身截面宜基本规则。另外，一维理论要求应力波在桩身中传播时平截面假设成立，所以，对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩的异型桩，低应变法不适用。另外，低应变法要求受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa。由于低应变法对桩身缺陷程度只做定性判定，对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。
2、影响低应变法检测混凝土桩完整性的因素
2.1仪器设备和瞬态激振设备的影响
2.1.1仪器设备。应尽量选用自振频率较高的加速度传感器。因加速度信号积分相当于低通滤波，这种滤波作用对尖峰毛刺特别明显，信号不易失真。速度传感器的体积和质量均较大，其安装谐振频率受安装条件影响很大，安装不良时会大幅下降并产生自身振荡，虽然可通过低通滤波将自振信号滤除，但在安装谐振频率附近的有用信息也将随之滤除。
2.1.2 瞬态激振设备。《建筑基桩检测技术规范》( JGJ/106-2003)中规定：瞬态激振操作应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫，以获得低频宽脉冲或高频窄脉冲。除大直径桩外，冲击脉冲中的有效高频分量可选择不超过2000Hz。目前激振设备普遍使用的是力锤、力棒，其锤头或锤垫多选用工程塑料、高强尼龙、铝、铜、铁、橡皮垫等材料，锤的质量为几百克至几十千克不等。
（1）锤头材料。材料过硬，将激发出高频脉冲波，高频波可提高缺陷处的分辨率，对探测桩身浅部缺陷有利，但高频波易衰减，不易获取长桩的桩底反射；材料过软，激发出的初始脉冲太宽，低频波有利于检测桩底反射，但会降低桩身上部缺陷的分辨率。
（2）冲击能量。锤重及落锤速度的大小决定了能量的大小。敲击时能量应适中，能量小，则应力波会很快衰减，从而看不见桩下部缺陷和桩底的反射。因此，检测大直径长桩时应选择较重的力锤并加大锤击速度，大幅度提高敲击力度，但锤过重又将造成微小缺陷被掩盖。锤重的选择应使得有明显的桩底反射为原则。
（3）接触面积。对于大直径灌注桩，除应选择重锤加大能量冲击外，相应地要加大锤的直径使得锤与桩头的接触面积增大。若使用小锤检测大直径灌注桩，需要多点激荡、多点接受，以便了解桩身横向的不均匀性，而使用大锤，选择合适的接收点，可获得桩的整体响应，有利于判断桩身局部缺陷。
（4）脉冲宽度。锤头较重或刚度较小时，入射波脉冲较宽，低频成分为主，适合长桩及深部缺陷检测，但相应的波长增大，由于波具有绕射能力，若入射波波长比桩身中缺陷的特征尺寸大得多时，波大部分可以绕射过去，反射波强度降低，识别桩中小缺陷的能力就差，也就是分辨率低。锤头较轻或刚度较大时，入射波脉冲较窄，高频成分较多，适合短桩及浅部缺陷检测，但相应的波长减小，不能满足将桩视作一维弹性杆的要求，会出现速度计波形的畸变。
2.2检测现场因素的影响。
（1）桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。要求受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。由于桩头浮浆层不密实，与下部正常混凝土黏结不良，会形成一个不连续的界面。敲击桩头产生的应力波在这一界面上多次反射，影响应力波向下传播，这种杂波幅值大，与正常信号叠加后，会掩盖桩下部的信息；激振点及传感器安装位置不平整、桩头外露主筋过长，同样影响正常测试。
（2）桩身质量。桩身混凝土越致密、强度越高、材料阻尼越小，则应力波能量被吸收得越少，测试深度越大。
（3）桩型。非挤土桩的测试深度大于挤土桩，有泥浆护壁的钻、冲孔桩的测试深度也会大一些。
（4）桩身完整性。桩身出现的各类缺陷都会引起能量损失，降低测试深度。
（5）桩底支承条件。桩端混凝土与桩端持力层阻抗相差越大，测试范围越大，反之相差越小。
2.3传感器的安装与激振的影响。
（1）相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，在桩顶部位可能出现与桩的横向振型相应的高频干扰。当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的干扰加剧。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰程度各异。
（2）桩径较大时，若桩身存在局部倾斜，则在不同的测点（安装传感器位置）获得的速度波形有差异。因此，应视桩径大小，选择2～4个测点：当桩径不大于1000mm时，不宜少于2个测点，当桩径大于1000mm时不宜少于4个测点。
（3）传感器的耦合剂。传感器的耦合剂可采用橡皮泥、黄油、口香糖等，必要时可采用冲击钻打孔安装传感器。不良的安装会导致较低的安装谐振频率，这是传感器的测试上限就降低到安装谐振频率，影响测试效果甚至不能满足测试对象的带宽要求。
2.4测试参数的影响。采样频率愈高，即采样间隔时间愈小，则时域信号精度愈高，但频率分辨率愈低；反之，当采样频率愈低，即采样间隔时间愈大，则时域信号愈低，但频率分辨率愈高。
3、低应变法的使用总结
3.1局限性
（1）尚无法对缺陷准确定性。目前依据波阻抗的变化，仅能有把握地将缺陷区分成缩颈类与扩径类。如缩颈与离析、严重离析与断桩、夹层与裂缝尚不能很好的区分。进一步确定缺陷的性质需要检测经验及其他補充资料。
（2）对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速计算或选取不准，据此计算的缺陷位置的误差在10%左右。缺陷在桩轴向的高度及径向的发布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算。
（3）对阻抗渐变类的缺陷难以判断，甚至可能得出相反的结论。
（4）桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易漏判，如第一缺陷在浅部时，尚可以通过开挖并凿去上部缺陷再行检测，否则只能通过其他方法进一步检测。
（5）长径比超过一定限度（长径比80以内）的桩、浅部缺陷或太小的缺陷，反射波法都无法正确检测。
（6）不能提供单桩承载力。
（7）当桩侧阻力很大时，桩底反射难于看到。
（8）嵌岩桩有可能推断出孔底有沉渣，但无法确定其厚度。
（9）只能了解桩身的平均声速，无法用所测声速推定桩身混凝土强度。
3.2提高低应变法现场测试的措施
3.2.1加强管理，增加行业内的交流，提高检测人员的职业道德素养及业务能力。
3.2.2桩头处理。桩头应凿去浮浆，露出密实的混凝土；激振点及传感器安装位置应凿成大小适合的平面，平面应平整并基本与桩身轴线垂直；激振点及传感器安装位置应远离钢筋笼的主筋，如主筋过长，应将其割短。
3.2.3根据桩长、地层状况和预期检测缺陷位置来选择击振脉冲波的主频。长桩击振频率要低；硬地层的中长桩频率要低；短桩击振频率要高；检测浅部缺陷频率要高。
3.2.4传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄，并且粘贴牢固，保证有足够的黏结强度；必要时可采用冲击钻打孔安装方式，但传感器底安装面应与桩顶面紧密接触。
3.2.5激振点宜选择在桩头中心部位，传感器应粘贴在距桩中心约2/3R处，离桩的主筋不宜小于50mm。理论和实践表明，2/3R处波的干扰最小。
3.2.6现场测试应准备几种锤头、垫层，依据不同检测目的而选用。桩越长，应选择越软、越重、直径越大的锤；桩越短，应选择越硬、越轻、直径越小的锤。在检测同一根桩的过程中，为了测出桩底反射，应选择重量大、质地软的锤，而为了检测浅部缺陷，可选用较硬的锤。开始检测的头几根桩应多花一些时间进行试敲，设定信号采集参数、确定合适的激振源，对该场地桩的施工质量情况有了大概了解后，再大量敲击试验，可收到事半功倍的效果。
3.2.7敲击时应尽量使得力锤以一定高度自由下落，垂直作用于桩头，有利于抑制质点的横向振动；应避免二次冲击，防止后续波的干扰。一般使用较短锤柄的手锤或力棒敲击。
3.2.8桩身缺陷的分析与推断必须结合多方面的信息进行综合判定。
（1）根据现场采集的信息，需由直达波、桩底反射波、缺陷反射波并根据它们的波幅、频率、相位三个声学参量来推断解释桩身有无缺陷。
（2）收集与掌握基桩施工过程的全部技术资料、档案，应包括：工程场地的工程地质勘察报告、水文地质概况；灌注桩的成孔方式、工艺；灌注桩的浇灌环境（如是否是水下作业）、方式、工艺工程。通过掌握的资料、档案分析推断解释缺陷的性质：由地层的岩性是否是黏土层，可以判断排除是否缩颈；由地层是否是砂层结合成孔工艺来判断是否扩径，或可能是渐扩径；由成孔方式可推断缺陷是否是夹泥；由地下水文地质条件及混凝土灌注方法、工艺来判断是否可能离析；浇灌过程是否连续，判断缺陷是否是二次浇灌面或断桩；同一场地，如许多桩都在同一深度存在“缺陷”反射波时，需了解地层是否由软突然变硬，或由硬突然变软；水下灌注，浇注导管是否用了隔水栓，判断桩底是蜂窝还是沉渣等等。
结语
低应变法检测混凝土桩完整性具有方便快捷的优点，在工程检测中被广泛使用，但其也有一定的局限性。为了提高检测的准确性，技术人员应严格按照规范、技术规程操作，确保检测结果的公正性、客观性和科学性，对业主负责，对工程质量负责。
参考文献
【1】林维正主编，《土木工程质量无损检测技术》，北京：中国电力出版社.2008年.
【2】羅骐先 王五平主编，《桩基工程检测手册》第三版，北京：人民交通出版社. 2010年8月.
【3】JGJ/106-2003，建筑基桩检测技术规范.
关键词：低应变法；检测；混凝土桩；完整性。
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1、检测原理及特点
1.1 原理及基本假设
通过在桩顶施加激振信号产生应力波，该应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面（如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷）和桩底面（即波阻抗发生变化）时，将产生反射波，检测分析反射波的传播时间、幅值、相位和波形特征，得出桩身缺陷的位置、大小、性质等信息，最终对桩基的完整性给予评价。
基本假设：桩身为一维、连续、均质、线弹性杆件，不考虑桩周土的影响，不考虑桩土耦合面的影响。
1.2 特点
用低应变法检测混凝土桩的完整性，仪器设备轻便，操作简捷，检测速度快，费用低，对场地的要求小，对桩身结构非破损而不影响其正常使用，波形数值准确，可对工程桩进行普查，被广泛的应用在建筑、公路桥梁、铁路工程当中。影响低应变法准确度的因素较多，如桩身混凝土强度、桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素。《建筑基桩检测技术规范》( JGJ/106-2003)中规定：低应变法使用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷程度及位置。理论依据是建立在一维线弹性杆件模型基础上，因此受检桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5，设计桩身截面宜基本规则。另外，一维理论要求应力波在桩身中传播时平截面假设成立，所以，对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩的异型桩，低应变法不适用。另外，低应变法要求受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa。由于低应变法对桩身缺陷程度只做定性判定，对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。
2、影响低应变法检测混凝土桩完整性的因素
2.1仪器设备和瞬态激振设备的影响
2.1.1仪器设备。应尽量选用自振频率较高的加速度传感器。因加速度信号积分相当于低通滤波，这种滤波作用对尖峰毛刺特别明显，信号不易失真。速度传感器的体积和质量均较大，其安装谐振频率受安装条件影响很大，安装不良时会大幅下降并产生自身振荡，虽然可通过低通滤波将自振信号滤除，但在安装谐振频率附近的有用信息也将随之滤除。
2.1.2 瞬态激振设备。《建筑基桩检测技术规范》( JGJ/106-2003)中规定：瞬态激振操作应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫，以获得低频宽脉冲或高频窄脉冲。除大直径桩外，冲击脉冲中的有效高频分量可选择不超过2000Hz。目前激振设备普遍使用的是力锤、力棒，其锤头或锤垫多选用工程塑料、高强尼龙、铝、铜、铁、橡皮垫等材料，锤的质量为几百克至几十千克不等。
（1）锤头材料。材料过硬，将激发出高频脉冲波，高频波可提高缺陷处的分辨率，对探测桩身浅部缺陷有利，但高频波易衰减，不易获取长桩的桩底反射；材料过软，激发出的初始脉冲太宽，低频波有利于检测桩底反射，但会降低桩身上部缺陷的分辨率。
（2）冲击能量。锤重及落锤速度的大小决定了能量的大小。敲击时能量应适中，能量小，则应力波会很快衰减，从而看不见桩下部缺陷和桩底的反射。因此，检测大直径长桩时应选择较重的力锤并加大锤击速度，大幅度提高敲击力度，但锤过重又将造成微小缺陷被掩盖。锤重的选择应使得有明显的桩底反射为原则。
（3）接触面积。对于大直径灌注桩，除应选择重锤加大能量冲击外，相应地要加大锤的直径使得锤与桩头的接触面积增大。若使用小锤检测大直径灌注桩，需要多点激荡、多点接受，以便了解桩身横向的不均匀性，而使用大锤，选择合适的接收点，可获得桩的整体响应，有利于判断桩身局部缺陷。
（4）脉冲宽度。锤头较重或刚度较小时，入射波脉冲较宽，低频成分为主，适合长桩及深部缺陷检测，但相应的波长增大，由于波具有绕射能力，若入射波波长比桩身中缺陷的特征尺寸大得多时，波大部分可以绕射过去，反射波强度降低，识别桩中小缺陷的能力就差，也就是分辨率低。锤头较轻或刚度较大时，入射波脉冲较窄，高频成分较多，适合短桩及浅部缺陷检测，但相应的波长减小，不能满足将桩视作一维弹性杆的要求，会出现速度计波形的畸变。
2.2检测现场因素的影响。
（1）桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。要求受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。由于桩头浮浆层不密实，与下部正常混凝土黏结不良，会形成一个不连续的界面。敲击桩头产生的应力波在这一界面上多次反射，影响应力波向下传播，这种杂波幅值大，与正常信号叠加后，会掩盖桩下部的信息；激振点及传感器安装位置不平整、桩头外露主筋过长，同样影响正常测试。
（2）桩身质量。桩身混凝土越致密、强度越高、材料阻尼越小，则应力波能量被吸收得越少，测试深度越大。
（3）桩型。非挤土桩的测试深度大于挤土桩，有泥浆护壁的钻、冲孔桩的测试深度也会大一些。
（4）桩身完整性。桩身出现的各类缺陷都会引起能量损失，降低测试深度。
（5）桩底支承条件。桩端混凝土与桩端持力层阻抗相差越大，测试范围越大，反之相差越小。
2.3传感器的安装与激振的影响。
（1）相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，在桩顶部位可能出现与桩的横向振型相应的高频干扰。当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的干扰加剧。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰程度各异。
（2）桩径较大时，若桩身存在局部倾斜，则在不同的测点（安装传感器位置）获得的速度波形有差异。因此，应视桩径大小，选择2～4个测点：当桩径不大于1000mm时，不宜少于2个测点，当桩径大于1000mm时不宜少于4个测点。
（3）传感器的耦合剂。传感器的耦合剂可采用橡皮泥、黄油、口香糖等，必要时可采用冲击钻打孔安装传感器。不良的安装会导致较低的安装谐振频率，这是传感器的测试上限就降低到安装谐振频率，影响测试效果甚至不能满足测试对象的带宽要求。
2.4测试参数的影响。采样频率愈高，即采样间隔时间愈小，则时域信号精度愈高，但频率分辨率愈低；反之，当采样频率愈低，即采样间隔时间愈大，则时域信号愈低，但频率分辨率愈高。
3、低应变法的使用总结
3.1局限性
（1）尚无法对缺陷准确定性。目前依据波阻抗的变化，仅能有把握地将缺陷区分成缩颈类与扩径类。如缩颈与离析、严重离析与断桩、夹层与裂缝尚不能很好的区分。进一步确定缺陷的性质需要检测经验及其他補充资料。
（2）对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速计算或选取不准，据此计算的缺陷位置的误差在10%左右。缺陷在桩轴向的高度及径向的发布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算。
（3）对阻抗渐变类的缺陷难以判断，甚至可能得出相反的结论。
（4）桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易漏判，如第一缺陷在浅部时，尚可以通过开挖并凿去上部缺陷再行检测，否则只能通过其他方法进一步检测。
（5）长径比超过一定限度（长径比80以内）的桩、浅部缺陷或太小的缺陷，反射波法都无法正确检测。
（6）不能提供单桩承载力。
（7）当桩侧阻力很大时，桩底反射难于看到。
（8）嵌岩桩有可能推断出孔底有沉渣，但无法确定其厚度。
（9）只能了解桩身的平均声速，无法用所测声速推定桩身混凝土强度。
3.2提高低应变法现场测试的措施
3.2.1加强管理，增加行业内的交流，提高检测人员的职业道德素养及业务能力。
3.2.2桩头处理。桩头应凿去浮浆，露出密实的混凝土；激振点及传感器安装位置应凿成大小适合的平面，平面应平整并基本与桩身轴线垂直；激振点及传感器安装位置应远离钢筋笼的主筋，如主筋过长，应将其割短。
3.2.3根据桩长、地层状况和预期检测缺陷位置来选择击振脉冲波的主频。长桩击振频率要低；硬地层的中长桩频率要低；短桩击振频率要高；检测浅部缺陷频率要高。
3.2.4传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄，并且粘贴牢固，保证有足够的黏结强度；必要时可采用冲击钻打孔安装方式，但传感器底安装面应与桩顶面紧密接触。
3.2.5激振点宜选择在桩头中心部位，传感器应粘贴在距桩中心约2/3R处，离桩的主筋不宜小于50mm。理论和实践表明，2/3R处波的干扰最小。
3.2.6现场测试应准备几种锤头、垫层，依据不同检测目的而选用。桩越长，应选择越软、越重、直径越大的锤；桩越短，应选择越硬、越轻、直径越小的锤。在检测同一根桩的过程中，为了测出桩底反射，应选择重量大、质地软的锤，而为了检测浅部缺陷，可选用较硬的锤。开始检测的头几根桩应多花一些时间进行试敲，设定信号采集参数、确定合适的激振源，对该场地桩的施工质量情况有了大概了解后，再大量敲击试验，可收到事半功倍的效果。
3.2.7敲击时应尽量使得力锤以一定高度自由下落，垂直作用于桩头，有利于抑制质点的横向振动；应避免二次冲击，防止后续波的干扰。一般使用较短锤柄的手锤或力棒敲击。
3.2.8桩身缺陷的分析与推断必须结合多方面的信息进行综合判定。
（1）根据现场采集的信息，需由直达波、桩底反射波、缺陷反射波并根据它们的波幅、频率、相位三个声学参量来推断解释桩身有无缺陷。
（2）收集与掌握基桩施工过程的全部技术资料、档案，应包括：工程场地的工程地质勘察报告、水文地质概况；灌注桩的成孔方式、工艺；灌注桩的浇灌环境（如是否是水下作业）、方式、工艺工程。通过掌握的资料、档案分析推断解释缺陷的性质：由地层的岩性是否是黏土层，可以判断排除是否缩颈；由地层是否是砂层结合成孔工艺来判断是否扩径，或可能是渐扩径；由成孔方式可推断缺陷是否是夹泥；由地下水文地质条件及混凝土灌注方法、工艺来判断是否可能离析；浇灌过程是否连续，判断缺陷是否是二次浇灌面或断桩；同一场地，如许多桩都在同一深度存在“缺陷”反射波时，需了解地层是否由软突然变硬，或由硬突然变软；水下灌注，浇注导管是否用了隔水栓，判断桩底是蜂窝还是沉渣等等。
结语
低应变法检测混凝土桩完整性具有方便快捷的优点，在工程检测中被广泛使用，但其也有一定的局限性。为了提高检测的准确性，技术人员应严格按照规范、技术规程操作，确保检测结果的公正性、客观性和科学性，对业主负责，对工程质量负责。
参考文献
【1】林维正主编，《土木工程质量无损检测技术》，北京：中国电力出版社.2008年.
【2】羅骐先 王五平主编，《桩基工程检测手册》第三版，北京：人民交通出版社. 2010年8月.
【3】JGJ/106-2003，建筑基桩检测技术规范.