低应变法桩基检测.pdf

毕 业 论 文 毕 业 论 文 论文题目：论文题目： 浅析低应变反射波法检测桩身完整性 系 部： 路桥工程系 专业名称： 道路桥梁工程技术 班 级： 08212 学 号： 44 姓 名： 赵 琴 指导老师： 汪 莹 完成时间： 2011 年 05 月 15 日 目 录 前言.1 1 检测方法概述.2 1.1 检测原理 .2 1.2 检测判别依据.2 1.3 仪器设备及要求.3 2 检测过程.4 2.1 检测流程.4 2.2 注意事项.5 2.3 操作方法的选择.6 2.4 检测数据的处理与判定.6 3 工程实例.8 3.1 完整桩.8 3.2 有缺陷的钻孔灌注桩.9 4 注意事项.10 4.1 工程地质情况.10 4.2 待测桩情况.11 4.3 检测仪器情况.12 5 提高准确度的措施.13 5.1 资料的收集.13 5.2 检测仪器的调试.13 5.3 检测点的选定.13 5.4 检测桩的分析.13 5.5 其它.14 结束语.15 参考文献.15 1 浅析低应变反射波法检测 桩身完整性 摘要：桩基础已成为我国交通工程建设中最重要的基础形式，属于隐蔽工程, 在施工过程 中易出现各类缺陷，其施工质量直接关系到工程建设的安危，而基桩检测作为隐蔽工程验 收的首要环节，对保证全部工程建设的安全稳固起着十分重要的作用。本文主要介绍了低 应变反射波法检测桩身完整性的原理、过程、注意事项等；并针对实际基桩检测中存在的 不足，提出了相应的解决措施。 关键字：低应变；桩身；完整性；检测；不足；措施 前言 近年来，随着经济的发展，大型高速公路桥梁结构物的修建越来越多，而 相应的基础采用桩基础的形式已十分普遍，灌注桩更是常见的代表。灌注桩在 成桩过程中,由于不可避免地要受到混凝土自身质量、 操作人员素质、 施工工艺、 地质条件及桩土体系相互作用等相关各因素的综合影响,极易出现各类缺陷,因 桩身深埋于地下,隐蔽性极强,极难发现质量问题,一旦出现工程质量问题,极难 处理；若控制不当将危及上部主体结构的正常使用与安全,为排除工程隐患,确 保工程质量,基桩检测成为桩基础工程极为重要的质量控制环节 1。 基桩检测技术通常有直观检查法、辐射能检测法、静力检测法和动力检测 法。基桩动力检测技术目前主要有低应变法、高应变法和声波透射法,各有优缺 点。低应变反射波法因其具有室外数据采集快速、仪器轻便、测试成本低廉、 测试周期短、测试信号分析简单、对桩身无损,非常适用于规模普查, 因此在桩 身质量检测中应用最为广泛，在桩身完整性检测中有着不可替代的地位。低应 变反射波法主要用于检查桩身完整性,检查缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离 析、沉渣等桩身可能存在的异常及其位置,并核对桩长、推算混凝土强度等 2。 但是在实际工程中由于经常出现对桩基检测结果的误判，致使工程技术人 员对该种检测方法的可靠性提出了质疑。 为此,本文将根据低应变反射波法测桩 工作原理,结合实际现场检测实例,对公路桥梁的桩基低应变反射波法适用性进 行探讨,并对波形判读中的有关问题进行分析,为实际桩基质量检测提供参考。 1 检测方法概述 1.1 检测原理 低应变反射波完整性诊断方法的基本原理 （见图 1） 是根据桩的一维波动理 论，利用桩顶锤击入射波在变截面(或变阻抗)处和桩尖处(变介质处)阻抗变化 所产生的不同反射波特征来判别桩的长度 (或波速)以及非完整性(扩、缩断面 或 、 变化)。 图 1 低应变反射波法原理图 1.2 检测判别依据 低应变反射波法主要是将单桩视为一维匀质弹性体杆件,桩头受到瞬态脉 冲力作用时,则桩身中产生压缩应力,使桩质点产生运动,应力波在桩身中的传 播规律近似满足一维波动方程,根据一维波动方程分析导出的反射波相位特征。 其基本公式如下： (1-1) 式中：Z波透反射界面桩身的截面力学阻抗 (Ns/m) V质点的运动速度（m/s） F桩身受力（N） 桩身材料密度(kg/m 3) c桩身波速(m/s) A桩身截面积 () 2 桩顶入射波在桩尖处的反射与透射公式为: （1-2） （1-3） 式中：Z1，Z2为波透反射界面桩身的截面力学阻抗(Ns/m) 将（1-2）除以V1，得到： （1-4） 式中: K反射系数; 1c1A1桩身混凝土广义波阻抗； 2c2A2桩身缺陷和桩底岩土部分的广义波阻抗。 由（1-4）可知，在桩顶要接收到反射波，必须满足K0。对于完整桩来说， 桩身中无波阻抗的差异，所接收到的反射波基本上是桩底反射上来的；对于缺 陷桩，即有桩身缺陷部分的波阻抗2c2A2 存在，K值可在01范围内变化。 这样,就可以根据反射系数的正负来判断桩身缺陷的性质: (1)K0 时，反射波与入射波同相，若1c1 =2c2，则A2A1，表明桩身缩径； 若A1=A2 ,则2c21c1，表明下界面强度大于上界面或嵌岩。 上述特征可以非常通俗地描述为：在桩扩径部位，反射波波形相位同初始 相位相反；在桩缩径或离析等缺陷部位，则反射波相位同初始相位相同。这两 点是判断缺陷的基本依据。 1.3 仪器设备及要求 低应变反射波方法检测桩身完整性一般选用美国 PDI 公司研制生产的 PIT-W 桩基动态检测仪和国内厂家生产的桩基动态检测仪(RS-1616K)。 要求具有 防尘、防潮性能，并能在温度为1050，相对湿度小于或等于 80，电源 电压在 220(110)V(直流供电电压上下 5%)的环境下连续工作 4h 以上。主 要包括了传感器和检测系统以及激振设备和专用附件。 3 1.3.1 传感器 传感器可选用宽频带的速度型或加速度型传感器，其频响曲线的有效范围 应覆盖整个测试信号的频带范围。其中加速度传感器的电压灵敏度一般应大于 100mV/g，量程不小于 50g，安装谐振频率应大于 10kHz；速度传感器的灵敏度 应不小于 300mV/cms-1，安装谐振频率应大于 1500Hz。传感器灵敏度选择原 则是在满足频响要求前提下，尽可能选择灵敏度高的传感器。 1.3.2 检测系统 检测系统应具有信号滤波、放大、显示、储存记录和信号处理分析功能。 其中数据采集装置的模/数转换位数不得小于8bit， 采样时间宜为501000s， 可分数档调整，单通道采样点不少于 1024 点，多通道采集系统应具有一致性， 其振幅偏差应小于 3%，相位偏差应小于 0.1ms；放大系统的增益宜大于 60dB， 长期变化量应小于 1%，折合输入端的噪声水平应低于 3V，频带宽度应不窄于 101000HZ，滤波频率可调。 1.3.2 激振设备 能根据激振条件试验的桩型及检测要求，选择符合材质和质量要求的激振 设备：如力锤、力棒、手锤等，以获得所需的激振频带和冲击能量，满足不同 的检测目的。 2 检测过程 2.1 检测流程 低应变反射波检测流程如下图所示（见图 2） 。 图 2 反射波检测流程图 4 5 2.2 注意事项 2.2.1 受检桩 被测桩桩顶表面应平整干净且无积水，并与桩轴线垂直，如有浮浆或松散 破损部分应凿去，露出坚硬的混凝土表面；桩头的材质、强度、截面尺寸与桩 身设计条件基本相同；检测时标高应为设计标高，避免若不为设计标高时，后 期处理对桩的损伤；桩身混凝土强度应达到设计强度的 70且不小于 15Mpa 或 桩身混凝土龄期不少于 14 天。 2.2.2 仪器部分 检测前应对仪器设备进行检查，性能正常方可使用；各检测工地应进行激 振方式和接收条件的选择试验，以确定最佳激振方式和接收条件；为提高检测 的分辨率，应使用小能量激振，并选用高频率的传感器和放大器。 2.2.3 传感器安装和激振操作 传感器安装部位应清理干净，不得有浮动砂土颗粒存在，不得安装于松动 的石子上，安装应与桩轴线平行；当采用黄油或其它粘结耦合剂粘结时，应具 有足够的粘结强度；传感器底面粘结剂越薄越好，在信号采集过程中，传感器 不得产生滑移或松动。激振点处混凝土应密实，不得有破损，激振时激振点与 混凝土接触面应点接触； 激振点位置应选择在桩中心，测量传感器安装位置宜 为距桩中心 2/3 半径处。激振点与测量传感器安装位置应避开钢筋笼主筋的影 响。 激振操作时，激振方向沿桩轴线方向。采用力棒激振时，应自由下落，不 得连击。采用力棒或自由落锤，激振能量可控性和信号重复性比用榔头式锤敲 击效果好。激振锤和激振参数宜通过现场对比试验选定，其中短桩或浅部缺陷 桩的检测宜采用轻锤快击窄脉冲激振；长桩、大直径桩或深部缺陷桩的检测宜 采用重锤宽脉冲激振，也可采用不同的锤垫来调整激振脉冲宽度。现场实际操 作应综合应用手锤和力棒。激振能量在能看到桩底反射的前提下尽量小，可减 少桩周参加振动的土体，以减小土阻力对波形的影响。 2.2.4 检测参数的设定 1）时域信号记录的时间段长度应在 2L/c 时刻后延续不少于 5ms；幅频信号 分析的频率范围上限不应小于 2000Hz。 6 2）设定桩长应为桩顶测点至桩底的施工桩长。 3）桩身波速可根据本地区同类型桩的测试值初步设定，测试统计后可加以 修正，也可以制作模型桩测定。 4） 采样时间间隔或采样频率应根据桩长、 桩身波速和频域分辨率合理选择。 5）传感器的灵敏度值应按计量检定结果设定。 2.2.5 信号采集和筛选 1）根据桩径大小，桩心对称布置 24 个检测点；各检测点重复检测次数 不宜少于 3 次，且检测波形应具有良好的一致性。 2）当信号干扰较大时，可采用信号增强技术进行重复激振，提高信噪比。 3）不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时，应分析原因，排除人为 和检测仪器等干扰因素，增加检测点数量，重新检测。 4）信号不应失真和产生零漂，信号幅值不应超过测量系统的量程。 5）对存在缺陷的桩应改变检测条件重复检测，相互验证。 2.3 操作方法的选择 低应变反射波法主要适用于检测混凝土桩的完整性，例如：钻孔灌注桩、 管桩等，但不适用于薄壁钢管桩、异型桩和柔性桩。 2.3.1 钻孔灌注桩、夯扩桩、方桩 1）测量传感器垂直安装在桩顶面距桩中心 2/3 半径处,用耦合剂粘结； 2）选择桩中心处激振,采集信号并存贮； 3）转至下一根桩,直至完成现场测试工作。 2.3.2 管桩 1）测量传感器垂直安装在桩顶壁厚的 1/2 处,用耦合剂粘结； 2）激振点与测量传感器在同一水平面上，与桩中心连线形成的夹角宜设置 为 90,选择壁厚的 1/2 处激振,采集信号并存贮; 3）转至下一根桩,直至完成现场测试工作。 2.4 检测数据的处理与判定 低应变反射波法检测桩身完整性只是对桩身缺陷作定性判定，分析时一般 根据曲线上缺陷反射的强烈程度来定性判定缺陷大小。但由于对于桩身缺陷类 型，曲线信号只反映出桩身阻抗减，因此在具体分析类型时宜以时域曲线为主， 辅以频域分析，并结合地质资料、施工资料和波形特征等因素进行综合分析判 定。 2.4.1 桩身波速平均值的确定 当桩长已知、桩底反射信号明显时，选取相同条件下不少于 5 根类桩的 桩身波速按下式计算桩身平均波速： n i im c n c 1 1 (1-5) T L ci 10002 (1-6) fLci2 (1-7) 式中: 桩身波速的平均值(m/s)； m c i c 参与统计的第i根桩的桩身波速值(m/s)； L测点下桩长(m)； T 时域信号第一峰与桩底反射波峰间的时间差(ms)； f 幅频曲线上桩底相邻谐振峰间的频差(Hz)，计算时不宜取第一与 第二峰； n参与波速平均值计算的基桩数量( 5)。 n 当桩身波速平均值无法按上述方法确定时，可根据本地区相同桩型及施工 工艺的其它桩基工程的测试结果，并结合桩身混凝土强度等级与实践经验综合 确定。如具备条件，可制作同混凝土强度等级的模型桩测定波速，也可根据钻 取芯样测定波速，确定基桩检测波速时应考虑土阻力及其它因素的影响。 2.4.2 桩身缺陷位置的确定 桩身缺陷位置应按下列公式计算： cTL 2000 1 （1-8） 2 1 f c L （1-9） 式中：测点至桩身缺陷的距离(m)； L T 时域信号第一峰与缺陷反射波峰间的时间差(ms)； 7 f 幅频曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差(Hz)； c桩身波速(m/s)，无法确定时用 值替代。 m c 2.4.3 桩身完整性的判定 桩身完整性类别应结合缺陷出现的深度、测试信号衰减特性以及设计桩 型、成桩工艺、地质条件、施工情况，按具体规定和表 1 所列实测时域或幅频 信号特征进行综合判定。 表 1 桩身完整性判定 类 别 时域信号特征 幅频信号特征 类 2L/c 时刻前无缺陷反射波，有桩底 反射波 桩底谐振峰排列基本等间距，其相 邻频差Lcf2/ 类 2L/c 时刻前出现轻微缺陷反射波， 有桩底反射波 桩底谐振峰排列基本等间距，轻微 缺陷产生的谐振峰与桩底谐振峰之间的 频差 Lcf2/ 类 有明显缺陷反射波，其它特征介于类和类之间 类 2L/c 时刻前出现严重缺陷反射波或周 期性反射波，无桩底反射波； 或因桩身浅部严重缺陷使波形呈现低 频大振幅衰减振动，无桩底反射波； 或按平均波速计算的桩长明显短于设 计桩长 桩底谐振峰排列基本等间距，相邻 频差，无桩底谐振峰； Lcf2/ 或因桩身浅部严重缺陷只出现单一 谐振峰，无桩底谐振峰 注：1 对同一场地、地质条件相近、桩型和成桩工艺相同的基桩，因桩端部分桩身阻抗与持力层阻 抗相匹配导致实测信号无桩底反射波时，可按本场地同条件下有桩底反射波的其它桩实测信号判定桩 身完整性类别。 2 不同地质条件下的桩身缺陷检测深度和桩长的检测长度应根据试验确定。 3 工程实例 3.1 完整桩 某工程人工挖孔灌注桩、桩长 7.28.0m、桩径 800mm、砼强度 C30，波速 8 为 3.09km/s，实测曲线见图 3，反射波波形规则、波列清晰，桩底反射波明显， 易于读取反射波到达时间，桩身介质均匀，无缺陷，及桩身混凝土平均波速较 高，桩底反射清晰为同相，设计桩长与计算桩长相符，表明的桩身完整，判定 为类桩。 图 3 人工挖孔灌注桩动测曲线 3.2 有缺陷的钻孔灌注桩 3.2.1 缩径 缩径桩反射波形比较规则，缩径处截面变小，波阻抗减小，应力波遇到缩 径会产生与入射波同相的反射，波形比较规则；由于阻抗不大，一般能看到桩 底反射信号；若缩径处较浅，缩径还会出现有多次反射，若缩径程度较严重， 则能以看到桩底反射。 某工程钻孔灌注桩，桩长 30.0m、桩径 1200mm、砼强度 C30，混凝土波速 为 3.92km/s，实测曲线见图 4，持力层为卵石层，桩底有反射为同相，此桩在 8.3m 左右存在局部缩径,判定为类桩。 图 4 钻孔灌注桩动测曲线 钻孔灌注桩，尤其是大直径钻孔灌注桩由地层、施工等原因而造成缩径， 9 但由于有钢筋笼作用，大直径的钻孔灌注桩往往是一端扩、另一端缩，这种成 桩工艺原因对承载力的影响，判定其质量等级以类桩居多。 3.2.2 断裂 浇灌时将导管拔出,管底密封不好而进水,钢筋笼上浮； 浇灌完成后,桩身混 凝土终凝前受外界因素作用断裂； 或两次灌注时间过长形成断层,或成桩质量虽 好但因受外力冲击作用造成桩身断裂。 由于断裂桩和缩径桩在波形上十分相似, 在判定上常被定为缩径桩。 有断裂的缺陷桩一般表现为夹杂一层阻抗较低的介质，反射波到达时间小 于桩底反射波到达时间,且波幅较大，在波形曲线上形成同相反射，往往出现多 次反射，间隔时间相等,第一次发射脉冲较高,前沿比较陡峭,波幅减少。由于断 桩处的声波能量难以下传,一般难见断桩以下部位较大缺陷及桩底。 如果是没有 夹层的裂隙或断层,也可以辩认桩底。某工程预应力管桩、桩长 16.0m、桩径 500mm、砼强度 C70，混凝土波速为 4.01km/s，实测曲线见图 5，此桩在 5.9m 左右存在中度缺陷, 可能为断裂或中度缩径，需进一步分析确认，判定为类 桩, 需经加固处理后方可作为正常工程桩使用。 图 5 预应力管桩动测曲线 4 注意事项 根据低应变反射波法的测试原理和波形形态，判断桩的缺陷位置一般不困 难，但在具体判别是何种缺陷时，需要进行综合分析,一般应着重考虑以下几个 方面。 4.1 工程地质情况 工程中常常因地质因素，施工工艺等原因，使基桩发生倾斜的现象，低应 10 变很难准确地判断基桩的倾斜程度。 4.2 待测桩情况 4.2.1 桩端 4.2.1.1 钻孔灌注桩的上部护桶 一般钻孔灌注桩在成孔施工时,会在上部置入一个比桩身直径略大的护桶, 长约 12001500 mm,桩浇灌成型后会形成上大下小的变径,曲线在变径部位会 产生类缩颈反射(图 6),有时会产生多次反射以致对正常信号产生严重干扰而无 法判读。因此,桩顶浅部出现反射时,应了解清楚这个“桩帽”是否存在,以免出 现误判。 图 6 钻孔灌注桩的上部护桶影响曲线示意图 4.2.1.2 人工挖孔桩的上部变直径现象 规范设计的人工挖孔桩混凝土护壁厚度一般为 150200 mm,当土层较好时, 施工队为了节省材料,会把上部护壁按照规范施工,而下部护壁厚度改成 100 120 mm,显然桩身直径将变小。也形成一个桩顶大,桩身小的桩帽,如果曲线在浅 部 12 m处出现类“缩颈”反射,甚至多次反射,大都由此引起 5。 4.2.2 桩底情况 4.2.2.1 钻孔灌注桩的入岩变直径现象 钻孔灌注桩在软土层中,由于钻头的晃动和土层的自然塌方,桩孔直径比钻 头直径略大。 而进入硬质土层或进入岩石层,由于硬质土层或岩石层的导向作用, 桩孔直径不会变大。这时桩身从软土层进入硬土层或岩石时,桩身直径变小,曲 线有类“缩颈”反射(图 7)；当桩身从硬质土层进入软土层时,桩身直径变大, 曲线有类“扩颈”反射。 11 图 7 钻孔灌注桩的入岩变直径现象影响曲线示意图 4.2.2.2 人工挖孔桩的入岩变直径现象 由于人工挖孔混凝土灌注桩在桩身入岩后不再用混凝土护壁,所以桩身直 径将比土层中的桩身直径小 200300 mm,曲线在该处会出现类缩颈反射,由于 是入岩桩,而人工挖孔桩的桩底清理一般比较干净,这时桩底反射将很微弱,曲 线判读时不要把这种类“缩颈”反射当作桩底反射信号。 4.2.2.3 嵌岩深度较大 检测过程中，常常会遇到嵌岩桩，某些路桥工程, 桩底嵌固较好，基桩入 岩石深度很大, 甚至达到整个桩长的 80%以上,由于岩石对激发波能量的吸收， 桩底反射非常弱， 无法检测到桩底而仅仅只能检测到大致的入岩位置,后面的曲 线只是一个震荡波（图 8） ，即使采用指数放大技术，也难以确定桩底的位置。 图 8 灌注桩入岩很深时影响曲线示意图 4.3 检测仪器情况 4.3.1 信号失真 在低应变检测桩身完整性中，时域采集信号的真实性是桩身缺陷判断准确 与否的关键，实测信号应是应力波在桩体传播过程中桩体波阻抗变化的真实响 应，而在现实基桩检测中，往往因各种原因导致信号失真，进而得出误判甚至 错误的结论。 4.3.2 应力波的衰减 12 13 时域信号在传播过程中能量逐渐耗散，特别是当桩与土阻抗（即密度）相 当时，波衰减较快，这时的波实际是三维球面波，不能简单视为一维波。 5 提高准确度的措施 判断一个桩的完整性的时候,应该结合多种资料进行综合判断,熟悉所处的 地质条件及各种桩型施工的特殊性相当重要,只有这样才能明确低应变法测试 曲线上缺陷所表示的真实含义。具体可从下面几个方面入手： 5.1 资料的收集 应尽最大可能收集有关桩基的一切设计施工资料,如工程地质资料、 桩基设 计图、施工原始记录(钻孔记录、混凝土浇注记录等)和桩位布置图等，在此基 础上了解场地地质条件和场地土层的分布，以及在施工过程中有无异常情况出 现。 5.2 检测仪器的调试 1）激振锤和激振参数宜通过现场对比试验选定。短桩或浅部缺陷桩的检测 宜采用轻锤快击窄脉冲激振；长桩、大直径桩或深部缺陷桩的检测宜采用重锤 宽脉冲激振，也可采用不同的锤垫来调整激振脉冲宽度。现场实际操作应综合 应用手锤和力棒。 2）激振能量在能看到桩底反射的前提下尽量小，可减少桩周参加振动的土 体，以减小土阻力对波形的影响。 3）信号不应失真和产生零漂，信号幅值不应超过测量系统的量程。 5.3 检测点的选定 根据桩径大小，桩心对称布置 24 个检测点；各检测点重复检测次数不宜 少于 3 次，且检测波形应具有良好的一致性。不同检测点及多次实测时域信号 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