低应变发射波法在桩基检测中的应用

摘要: 本文先对桩基检测意义、用途以及桩基动力检测方法进行了阐述，针对低应变反射波法原理、数据的采集与处理进行了分析，并就低应变检测技术的缺点进行了浅析，最后就实际操作与理论相结合方面进行了总结。

关键词: 桩基检测； 低应变检测技术 ；低应变发射波法

中图分类号： TU47 文献标识码： A

1概述

随着我国建筑事业的发展,桩基已成为一种重要的基础形式,在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口、码头、海上采油平台、核电站工程以及地震区、软土地区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区和冻土地区的地基处理中得到广泛地应用。桩基工程除因受岩土工程条件、基础与结构设计、桩间体系相互作用、施工以及专业技术水平和经验等关联因素的影响而具有复杂性外,桩的施工还具有高度的隐蔽性,发现质量问题难,事故处理更难。因此,桩基检测工作是整个桩基工程中不可缺少的环节,只有提高桩基检测工作的质量和检测评定结果的可靠性,才能真正地确保桩基工程的质量与安全。如何快速准确地检验工程桩的质量,以满足日益增长的桩基工程的需要是目前土木工程界十分关心的问题,也是长期以来国内外许多学者、研究人员和工程技术人员从事的一个研究课题。

2 桩基动力检测

桩基动力检测技术包括高应变法和低应变法。当作用在桩顶上的能量较大,直接测得的打击力与设计极限值相当时,这便是高应变法;作用在桩上的能量较小,仅能使桩土间产生微小扰动,这类方法称为低应变法。目前高应变法主要有动力打桩公式法、波动方程法、Case法、曲线拟合法、锤击贯入法和动静法等。低应变法主要有机械阻抗法、应力波反射法、球击法、动力参数法和水电效应法等。桩基动力检测具有费用低、快速、轻便、适于普及等优点,这大大地促进了桩基动测技术的研究和应用。

2.1 低应变发射波法

目前,低应变动力测桩是采用低能量的瞬态或稳态激振,使桩在弹性范围内作低幅振动(应变量约为10-5),利用振动和波动理论判断桩身缺陷。我国低应变动测桩法主要是应力波反射法,主要用来检查桩身完整性,检查缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣,并核对桩长、推算砼强度。本文主要介绍低应变反射法。

2.1.1 基本原理

应力放射波法是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法把桩假定为连续弹性的一维截面匀质杆件,并且不考虑桩周土体对沿桩身传播应力波的影响。当在桩顶施加一瞬态锤击振力,将在桩内激发应力波,由于桩与周土之间的波阻抗差异悬殊,应力波大部分能量将在桩内传播,当波长L>>桩径D,应力波波长K>>D时,桩可以看作一维杆件,应力波在桩内传播可以采用一维杆波动方程计算。垂直入射的应力波在桩内传播过程中,当桩内存在有波阻抗差异界面时,波将产生反射波和透射波,反射波将沿桩身反向传播到桩顶,而透

射波继续向下传播。桩身的缺陷、桩底均可以根据反射波的相位、振幅、频率特性,辅以地层资料、施工记录以及实践分析经验,对其性质做出确切的判断。

2.1.2 测桩前的准备工作

(1) 进场测试前首先应获得第一手资料:该工程的成桩工艺、桩长、桩径、成桩日期、砼强度等。

(2) 进入现场,观察,敲击桩头,了解其实际施工质量,如桩头是否潮湿、夹泥、桩头疏松、含有泥浆等现象。

(3) 桩头须达到设计标高后,清理干净,应保证桩头平整、完好无破损、并用砂轮打磨出2~4个直径8~10 cm的光面,作为激振点并利于安装传感器,出露的钢筋应倒向两侧,且不应有较大的晃动,对于大直径桩,须多测几个位置,以得到真实完整的桩身反射信号。

(4) 由于砼强度与其龄期有密切关系。不同龄期尤其早期测试结果差异较大,这些差异表现在判别离析性质缺陷的程度上,有很大的关系。砼强度达到一定值时,用力棒敲击桩头,产生的应力波才能有效地沿桩身向下传播。依据规范要求,低应变检测应在桩身达到龄期后进行,尤其是长桩以及地质条件较差的桩。

2.1.3 野外数据采集

(1) 振源和传感器的选择及其对信号的影响。

反射波法的应用前提必须有一个振源,振源对测试效果的影响很大,不同的锤击方式会产生相差很大的曲线。一般地说,小桩选择小锤,大桩选择大锤,较长的桩宜用脉冲宽的击振源,才容易获得桩底反射信号。

在检测现场,针对不同情况,尤其是疑点较大的桩,应选择多种击振方式,或更换传感器的位置进行对比,以便作出合理的结论。

(2) 传感器安装及力棒的使用。传感器是接受桩身反射信号的关键设备,其性能的好坏直接影响波形的采集质量,传感器及电缆应选用轻型的,以便于跟踪响应,必须保证传感器与桩体紧密接触,同时,避免用手按着传感器,实践证明,采用黄油安装传感器可获得较理想的桩身完整性实测曲线。使用力棒时,由于力棒较重,易造成二次冲击,导致信号失真。应排除二次冲击的干扰,同时,力棒敲击桩顶面不应损坏桩顶,防止信号畸变。现场击锤人员应相对固定,尽可能进行相应训练,熟练掌握敲击的轻重、垂直度等。

(3) 信号的选择。在检测过程中,对前几根桩的检测至关重要,可以对整个桩身质量有个总体概念,建立初步印象,这样能够大大提高检测速度。桩身质量不理想的情况下,可就地重复测试,用不同文件名存储两次以上,以便室内对比分析。

2.1.4 数据处理

应力反射波法目前也存在着很大的局限性。反射波法动力测桩,以其测点广、经济、快捷、无损等诸多优点,成为目前人们所公认的桩基质量检测的有效方法,但也存在着缺点和不足。在此对影响钻、挖孔桩缺陷反射的因素进行分析:

(1) 完整桩。施工质量优良的完整桩的速度波形应光滑,有明显的桩底反射信号,波速正常。图1为某石油储罐钻孔灌注桩,桩径1.2 m,桩长47 m,波速3 960 m/s,混凝土强度等级C35,为完整桩。

图1 完整桩波形

(2) 钢护筒引起的桩缩颈。该桩直径1.5 m,从波形反映,该桩在3.2 m存在缩径特征见图2。后经查施工记录,该桩桩顶部分采用混凝土护筒,壁厚8 cm,并与桩混凝土浇筑在一起,使桩顶部直径达到1.64 m,故在护筒底表现为缩径。

图2 假缺陷桩波形

人工挖孔桩,在遇到比较厚的流塑状淤泥层时,桩孔护壁通常采用钢护筒。如果桩孔的其它部位采用的是20 cm厚的砼护筒,那么在钢护筒部分,相当于桩缩颈。在缩颈和淤泥地层的双重原因影响下,检测曲线上会出现比较明显的缺陷反射,在没有进行综合分析的情况下,容易产生误判。

(3) 断桩引起的反射。断桩的波形曲线存在明显的波峰,且桩底信号不明显(见图3),根据该工程桩身平均波速,求得该桩在18.10 m断桩。

图3 断桩波形

(4) 桩周土层及桩底虚土沉渣对波形曲线的影响。某25#桩基础采用钻孔灌注桩,桩径700~800 mm,桩长14.15~28.14 m,桩端持力层为中风化灰岩,砼强度C25。该场地土层:杂填土0~1.8 m,粘土0.6~1.0 m,游泥5.5~30.1m,强风化灰岩0.4~3.2 m,中风化花岗岩揭示6.8 m。见图4所示,波形规则,桩底反射波有明显正相位,判断桩身为I类型,但对于中风化持力层的桩,应该不会出现正相位的桩底反射波。这说明该桩底有沉渣或虚土存在。

图4 基桩反射波形曲线图

在对桩基测试曲线进行分析时,要充分考虑到桩周土层对所采集波形曲线的影响。在桩基动测中,检测人员往往注意到桩本身的子波叠加而引起的缺陷判断,而忽略了应力波在桩中的传播时,不仅受桩身材料、刚度及缺陷的影响,同时受桩周土层的土模量大小的影响。桩周土层的土力学性能越好,应力波在桩周土层中的损耗就越大。在硬土层处将会产生似扩径的反射波,在软土层处将会产生由于应力波透射损耗小而产生似缩径的反射波。如果不考虑桩周土层对所采集曲线的影响,不了解桩侧的土质情况,有时会造成误判。

(5) 扩颈引起的反射。图5为某小区人工挖孔桩低应变完整性测试效果图。本工程采用人工挖孔扩底灌注桩,桩长7m、桩径1.12 m,混凝土设计强度C30。检测仪器采用RSM-PRT动测仪,从检测波形来看,在5.9 m左右出现了明显的扩颈,属工程设计的扩底位置,对应地质资料及人工挖孔出露的岩层来看,已经到中风化岩层,证明检测结果符合工程实际情况。

图5 护径桩波形

对于混凝土灌注桩,可能存在桩身截面逐渐变大后迅速减小(还原)的情况,在增大后迅速减小的位置,常常可以看到一次甚至二次缺陷反射,容易产生误判,应切实留意。

为了准确分析桩身缺陷,有必要:

(1) 结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。如:预制桩、人工挖孔桩不可能缩径;许多缺陷或质量事故都发生在流水处或地层变化处;地层变化对波形也会产生影响(会产生反射波)等等。因此查看地质资料、了解施工记录对确定缺陷位置有很好的帮助。

(2) 利用定量分析软件对基桩缺陷程度的判断。虽然定量分析软件本身存在一些不足,但它分析了应力波在桩身传播的详细过程,只要桩周土的参数选择合理,它的作用远远大于我们凭肉眼对波形缺陷程度的判断。

(3) 综合分析同一工程的所有被测桩。同一工程的地质和施工状况大致相同,通过寻找被测桩之间的共性,再来分析每一根桩的情况,往往能有效的提高分析效果。有时仅仅分析一根桩,而不对整个工程的情况进行了解,很容易产生判断错误。

3 结语

本文针对我国应用比较广泛的低应变检测方法中的反射波检测法进行了详细的介绍，并分析了低应变检测法中存在的一些缺陷。在桩基检测中，低应变检测与高应变检测相比具有费用低、轻便快速等优点，但是仍然存在着很多的不足，我们要不断努力，加大低应变检测的科研投入，完善检测方法，不断提高桩基检测质量的准确性。

参考文献：

［1］俞荣金.低应变检测技术在桩基检测中的应用［J］.城市建设理论研究.2012( 07) ．

［2］曹兰杰.如何在桩基检测中运用低应变反射波法技术［J］.科学与财富.2012( 03) ．

［3］周宇.低应变检测技术在桩基检测中的应用［J］.广西水利水电.2007( 01) ．