浅谈低应变技术在桩基检测中的应用.doc

.浅谈低应变技术在桩基检测中的应用摘要桩基工程是当下使用最广泛的建筑施工基础设施，科学的桩基检测方法可以实现建筑工程的质量控制，客观准确的基桩检测数据也是今后对工程进行评价的关键数据。本文对桩身的各种缺陷所引起的波的变化特征进行了分析, 比较了理论曲线与实测曲线的差异, 并对具体操作步骤作以探讨。关键词：桩基检测 低应变动力检测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、桩土体系相互作用、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，因而桩基工程检测技术也就成为一个热门而得到广泛重视。特别是近10年来，检测领域取得了长足的发展，检测技术更加趋于成熟和先进，有关桩基工程检测的标准、规范相继发布、施行，使桩基检测工作进一步规范化，对保证工程质量起到了良好的作用。但是在这么多的检测方法和技术标准面前，对于实际工程中要应用哪种桩基检测理论和方法来进行最贴近最合理的评价工程的施工质量有待于我们进一步探讨和总结，这对于提高桩基检测工作的质量和检测结果评定的可靠性以及对确定整个桩基工程的质量与安全有重要意义。目前我国从事桩基工程检测的单位有700家以上，从事桩基检测仪器制造的单位有10余家，动测仪器的软件、硬件水平已经接近或达到国际先进水平。诚然，我们在先进检测技术上的创新和开拓需进一步加强和提升。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，通过在桩顶实施重锤敲击，使桩身产生动位移，桩周岩土阻力充分发挥。高应变法物理意义明确，检测准确度相对较高；但目前受检测人员水平和桩-土相互作用模型等问题的影响，该方法仍有较大的局限性，尚不能完全代替静载荷试验而作为确定单桩竖向抗压极限承载力的设计依据。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，通过在桩顶面施加低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围内做弹性振动，并由此产生应力波纵向传播，同时利用波动和振动理论对桩身的完整性做出评价。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。20世纪80年代，以波动方程为基础的低应变法进入了快速发展期，各种低应变法在基础理论、机理、仪器研发、现场测试和信号处理技术、工程桩和模型桩验证研究、实践经验积累等方面，取得了许多有价值的成果。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1O )，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。并且可以利用定量分析软件对基桩缺陷程度的判定，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。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波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大于桩径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。当桩身波阻抗有明显变化时, 就会有反射波回到桩顶引起基波振幅和相位发生变化, 由记录分析仪所接收到的波形数据, 就可以判断桩身的完整性, 其检测如图1 所示. 图1低应变反射波法检测桩身完整性示意图2.1.2 低应变反射波法检测桩体完整性的可行性分析 反射波法是建立在一维波动理论的基础上的。假设桩为质地均匀、各向同性的一维线弹性体（桩的长度远大于直径，且入射波波长大于桩的直径），当用手锤在桩顶敲击时，产生的应力波在桩身传播满足一维波动方程，对于水泥搅拌桩的假设设定如下：（1）水泥搅拌桩是否可视为一维杆件。（2）水泥搅拌桩桩身材料是否可视为弹性材料。（3）水泥搅拌桩桩身波阻抗是否可以被识别。 从目前工程上的应用来看，水泥搅拌桩桩径多为50cm，桩长多为8m以上，长径比一般在16以上，符合桩长远大于桩径的理论条件，桩体可视为一维杆件。 水泥搅拌桩是由水泥就地与地基土充分搅拌硬化而成，水泥土在受力初期，应力与应变关系基本上符合虎克定律。可视为弹性材料。 与混凝土灌注桩相比，尽管水泥搅拌桩桩身波阻抗明显要小，但目前大量的工程试验资料证明，水泥搅拌桩桩身抗压强度可达1.2MPa以上（425水泥，喷灰量50kg/m，龄期90d），其抗压强度远大于桩周土强度，基本符合-维波动方程的理论假设。对实际工程桩的检测也表明，一维压缩波在水泥搅拌桩桩身以内的入射、透射、反射特征清晰。基于以上分析，反射波法检测水泥搅拌桩的桩身质量是可行的。从该种方法的实际应用与可靠性分析来看：与检测混凝土灌注桩相比，反射波法检测水泥搅拌桩有着其自身的特殊性。首先是检测时确定检测龄期的问题。统计资料表明，到28d龄期时，水泥土的强度为设计强度的60%左右，到90d龄期时才能达到设计要求。从检测效果的角度出发，龄期越长，强度越高，检测效果越好。如果过早地进行检测，水泥土尚未完全硬化，水泥土的波阻抗与桩周土的波阻抗较为接近，则不满足一维波动方程的理论假设。或由于锺击时，因为桩身整体强度不高，形成波形的低频震荡，导致无法进行有效的分析与判断。因此建议水泥搅拌桩最佳的检测龄期为28d以后。其次由于水泥土无粗骨料，弹性波在水泥土内部传递时，介质散射引起的衰减较小，而介质吸收产生的衰减较大。为了取得良好的检测效果，应尽可能破除桩顶松散层，打磨各测点，并选择合适的振源，一般尼龙锤具有较好的指向性和穿透力。为减少弹性波的损失，应采用如黄油、凡士林一类的胶状或浆状物质作耦合剂。最后，选择合理的波速成为一次成功检测的关键，反射波测出的实际有效桩长：L=tc/2式中：t-弹性波由桩顶传至桩底、经反射后传至桩顶的时间（由仪器测定）； c-弹性波在桩身内传播的波速，m/s。因此，波速的选择直接影响到实测桩长与缺陷位置判断的准确性。波速选择的越合理，越具代表性，实测桩长的误差就越小，反射波法检测的可靠性就越高。经过大量的实践证明，只要选择合理，处理得当，在满足一定的条件下，完全可以利用反射波法检测水泥搅拌桩的桩身完整性。2.1.3 反射波法检测水泥搅拌不确定因素与局限性尽管反射波法检测水泥搅拌性有着快速、可靠等诸多优点，但仍有其一定的局限性。首先，经验波速随着龄期、强度、水泥含量、土样含水量变化存在着明显的不确定性，造成经验波速范围波动过大，直接造成检测结果误差增大。而为取得有代表性的经验波速，在工程桩同期打试桩，既不太可能也不太实际。所以这还得通过今后不断的积累和完善，建立起一套完整的经验波速与各影响因素的相关数据库，才能真正使反射波法检测水泥搅拌桩走向应用。其次，反射波法应用的对象应是一弹性的均匀体，而目前落后的施工工艺造成的桩身不均匀性，也制约着反射波法检测水泥搅拌桩的应用。有时因搅拌不充分造成的水泥层状、片状分布将会令反射波法很难甚至无法分析。2.1.4 反射波法检测水泥搅拌的检测步骤在检测中使用PIT-V型基桩动测仪，该仪器采用的加速度型传感器，横向灵敏度低，只有锤击到一个有效脉冲时，传感器才会记录一个信号，数据传输到现场接收计算机进行储存。锤击力量太大或太小都不产生能被记录的脉冲。激振产生的波动模式单一，只含纵波，可以得到清晰的底部反射。具体的检测步骤如下：（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。2.2 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34个直径810 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。2.3 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。3 桩身不同缺陷理论与实测波形分析根据反射波法的原理, 当桩身波阻抗发生变化时, 会产生反射波和透射波, 其中反射波传回桩顶, 被传感器接收. 根据接收到的波形信号, 可以分析桩身的完整性. 现场检测时, 常见的桩身缺陷类型主要有: 扩径、缩径、断裂、离析、夹泥、胶结不良以及桩底浮渣较多等.3.1 完整桩的波形曲线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。当桩身完整时, 仅存在唯一的反射界面, 即桩底反射面, 其理论曲线如图2 所示. 在条件较好的情况下, 可以得到明显的桩底反射波(如图3 所示) , 该曲线是用高阻尼传感器通过橡皮泥粘结, 用力棒激振在某工地工程桩上测得的. 此时, 可以利用波速c、反射时间t 和桩长L 三者之间的关系(即L = ct/2) 来估算桩长或波速. 进而根据波速与砼强度的关系来评估桩身混凝土的强度。图2完整桩理论波形曲线 图3完整桩实测波形曲线3.2扩径桩的波形曲线在桩身扩径处有1=2, C1 = C2,A 1A 2, 因此其反射系数R A2, 因此其反射系数R 0, 故反射波与入射波理论上应该同相, 但由于波速发生改变, 使得波的频率也发生变化, 其高频成分衰减较快, 使得波形变得平坦(如图9 所示).至于是由离析还是胶结不良引起的, 则要结合施工时的情况和地质报告等辅助资料来加以区分.图9离析桩实测波形曲线3.6 嵌岩桩的波形曲线对嵌岩桩, 如果桩底没有浮渣或浮渣比较少, 桩和基岩接触良好, 则桩底反射信号不明显, 但经过指数放大等技术处理, 有时可以见到一反相反射信号. 如果桩底浮渣较多, 有时可以看到一同相反射波出现, 由于浮渣对波的吸收较强, 有时也很难见到反射信号(如图10 所示).图10嵌岩桩实测波形曲线3.7 数据分析方法动态测试与静态测试最大的区别在于动态测试包含了对多种频率成分的动态信号记录问题. 在分析桩身完整性时, 通常只利用了时域波形, 通过对时域曲线的分析来判断桩身的完整性, 而没有利用所测曲线的频谱特性, 这实际上是浪费了一半的资源. 事实上, 频谱分析是研究动态测试系统频响问题的主要手段. 研究波形曲线的频谱特性, 可以更好地指导现场测试和对桩身完整性作出辅助性分析.如图11 所示为某工地的一根工程桩, 从时域曲线可以看出, 在1. 7 m s 处有一微小的反射波, 可能此处存在缺陷, 但由其频谱曲线可以看到, 各共振峰间距基本相, 该桩应为完整桩. 图12 所示为同一工地的另一根缩径桩, 由其频谱曲线可以看到, 各共振峰间距不相等. 同时, 在选择传感器的安装方法时, 利用频谱分析各自的安装谐振频率, 然后选择谐振频率最高的安装方法是很有必要的, 因为它将充分延拓系统的测试范围. 大家都知道, 尼龙锤测试效果比铁锤好, 长大桩时用力棒检测效果最好, 时域里虽然可以比较激振效果的好坏, 但对于好坏的解释与理解却常常是在频谱分析的基础上使用频率概念进行的.图11完整桩频谱曲线 图12缩径桩频谱曲线很多情况下, 由于各种干扰成分的存在, 时域里如不进行滤波处理则难以进行分析, 这时滤波成为一种重要的手段, 但有时候, 滤波容易导致波形畸变以至影响分析判断; 相反, 在频域里, 各种频率成分一目了然, 只要对所用测试系统进行认真分析, 极易排除干扰成分. 当时域信号一致性较差或干扰太严重时, 利用频域分析比较各信号的共同点(共振峰) , 分析这些共振峰所对应的缺陷, 然后再反过来在时域里进行验证, 这是相当好的一个办法, 有时候时域里难于发现桩底反射, 频域里反而可以找到, 时域里难于检测的浅部缺陷, 频域里也较易发现. 当然, 频域分析只能成为时域分析的一个必不可少的补充, 因为频域分析本身尚有许多不足之处, 如缺陷性质难于确定, 缺陷位置计算偏差较大以及对于同一缺陷引起的相邻共振峰难于识别等。 这些影响了频域分析的效果, 也是频域分析没有广泛应用起来的主要原因。 不过, 频域分析是时域分析的一种有效补充, 这一点是不容置疑的。4 低应变检测技术的不足之处低应变技术虽然已经有了很大的发展，但在实际工作中仍有许多不足之处。4.1 基桩完整性动力分析基本上不能对截面的变化程度作出定量评定，而只能对桩身缺陷的存在作出定性和定位的判断；大批试桩中能鉴别出肯定合格的基本完整桩和肯定不合格的严重缺陷桩，对许多具有中等程度缺陷桩，较难对其合格性作出判断；在通过对桩身阻抗变化的分析中，很难判定缺陷的具体类型，必须结合工程地质条件、桩型、成桩工艺和施工记录等进行综合判断。4.2 基桩承载力动力分析物理数学模型、力学模型、桩土材料模型、计算公式、分析流程、应用软件及仪器设备等各个方面，在对承载力的分析计算上都存在一些问题，这些问题都会导致承载力分析计算的系统误差，是本质的、急需创新的不足；另外，场地环境条件、从业人员素质，尽管是外因，但都直接影响到承载力的判定精度。5 结语本文介绍的低应变检测方法适用于检测混凝土桩身的完整性，判定桩身缺陷程度及位置。它的有效桩长(长径比LD)是通过现场试验来确定，在现场检测中，长径比通常在2030之间，检测的效果也比较理想。有些报道说他们有能力或曾经测过长达50多m的大直径桩，且桩底有明显的反射，我认为可能会有以下几种情况：确定偶然测到了，如果是真实的话，该桩强度一定很高，且均匀性较好，桩周土阻力很小，显然这种情况是个别现象；原带有尾部微小波动噪声经数十倍或数百倍放大指数放大后的噪声峰恰在桩底附近，而误判为桩底反射信号；浅部缺陷多次反射恰在桩底反射波附近而误判为桩底反射波。因此，50 m以上的桩用低应变极难检测，建议用声波透射法检测。虽然低应变检测技术在各种桩基检测工程中得到了广泛的应用，取得了巨大的社会效益和经济效益，但我们也应该清楚的看到，各种桩基检测技术都还存在一些问题。为了解决这些问题，一方面，要不断改善已有仪器的硬件性能和质量，并努力开发出新的仪器，另一方面，要加强对桩基检测技术理论的研究工作，寻求更精确的物理模型。对于基桩检测信号的分析处理方面，把现有的桩基检测方法和当今的一些先进的信号分析方法结合起来，将是一个非常重要的研究方向。致谢本设计的完成是在各位老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的