诌议小应变基桩动测的不足

1、诌议小应变基桩动测的不足 摘要：综述了低应变反射波法的基本原理，低应变反射波法的测试技术和基桩完整性检测依据，同时讨论了低应变反射波法的局限性和适用范围以及存在不足的地方，并针对低应变基桩动测法的不足探讨了一些改进的方法。 关键词：小应变反射波；基桩动测技术；存在的问题；解决方法 中图分类号： tu473.1 文献标识码： 文章编号： 作者简介：周义(1984-)，男，汉族，哈尔滨人，助理工程师，毕业于合肥工业大学，从事岩土工程勘察与桩基检测工作。 discussion on shortcomings of small strain dynamic testing of piles zhou

2、yi （yangzhou kaiyuan geotechnical engineering testing co., ltd, yangzhou 225007, china) abstract: summary of the basic principles of low-strain reflected wave method and test technique of low-strain reflected wave method and the integrity of foundation pile detection based on while discussing the li

3、mitations of low-strain reflected wave method and scope, and where there are insufficient and inadequate for low strain dynamic testing of piles method explores ways to improve it. key words: low-strain reflected wave ; dynamic technology of pile-foundation; existing problems; methods of resolve 1引言

4、 随着我国经济建设的蓬勃发展，城市高层建筑、地下工程、铁路和公路兴建不断，桩基础因其优点多，被广泛应用，然而，桩基础作为隐蔽工程受地质环境、施工技术等因素的影响，往往缺陷较多，且缺陷离散性较大，不能满足工程要求。因此，工程基桩质量问题受到的关注越来越高。正确合理的检测方法是控制工程施工质量的重要保证手段，客观准确的实验数据是工程质量评定的重依据。 基桩质量检测的方法较多，但使用最多的是静载荷试验和高、小应变动力测试技术1，基桩动测技术是一门多学科的交叉学科，它不仅涉及建筑工程、地质学、材料科学而且是声学、电子技术、计算机技术的综合应用。因此，从理论上和实践上掌握这一技术，是搞好基桩监控和检测的

5、有效手段。 基桩检测过程中，由于静载荷试验由于其设备笨重、测试时间较长、工作量大、测试数量有限，且属于有损测试，不能够对整个工程桩基础进行评价与分析。小应变动力测试法弥补了静载荷试验的不足，用于检测桩身完整性，推定缺陷类型及其在桩身中的位置，对桩长进行核对，桩身混凝土的强度等级进行评估等2，但低应变反射波动力测桩也存在多方面的不足。本文简要地介绍了低应变反射波法在基桩动测中的基本原理，并针对该方法存在的不足，探讨分析了一些解决的方法。 2效应变基桩检测的基本原理 小应变反射波是在时间域上研究分析桩的振动曲线，通常是经过桩的瞬态激振后，研究桩顶速度随时间的变化曲线，从而判断桩身的完整性3。 在桩

6、顶竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面，或者桩身截面积发生变化时，将产生反射波，且经过接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息。 工程中，基桩长细比一般均大于5.0，且理想的完整基桩，属于一种材料均匀、截面恒定的弹性杆件，故反射波法检测基桩完整性技术是以一维波动理论为基础的。 2.1 应力波在不同阻抗界面处的反射与透射 应力波沿桩身向下传播，按照波的传播规律，当桩身波阻抗发生变化时，应力波将在介质的分界面上产生反射和透射。不考虑柱周阻尼的影响，入射应力波在变阻抗处产生的反射波与透射波的幅植大小及方向有如下关系56： （1） （2） 式中,；（反射系数

7、）；（透射系数）； 、表示介质分界面处质点振动速度，下标、及分别表示入射、反射和透射。 一维弹性桩的波阻抗其值总是正的，所以总是大于零的值，透射系数也总是正值，就是说透射波与反射波的相位总是同相的。反射波与入射波的相位关系则根据反射系数的正负可以是同相的，也可以是反相的。 1.，则，这时反射波与入射波同相位对于一般有如下几种情况： （1）、，则，即相当于应力波从硬材料向软材料传播，类似于断柱、离析或摩擦桩的桩底反射； （2）、，即杆件材料不变，应力波由大截面向小截面传播，类似于基桩中的缩颈。 2.，则，这时反射波与入射波相位相反。对于，同样有两种情况即： （1）、，则即杆件截面无变化，相当于应

8、力波从软材料向硬材料传播； （2）、，则即杆件材料不变，应力波由小截面向大截面传播。类似于基桩工程中桩端嵌岩及扩径时的桩底反射情况。 总之，在桩顶检测出反射波引起的桩顶质点的振动速度与入射波引起的桩顶质点振动速度的相位一致时，说明产生反射波的相应位置上存在着截面变小或混凝土质量较差的问题；反之，当反射波信号与入射波初始信号的相位相反时，则表明在相应的位置上存在着扩径或桩底的嵌岩7。波阻抗变化的相应位置，可由波速、时程、距离的关系求出，即： （3） 式中：反射周期；桩身应力传播速度；变阻抗位置距桩顶的深度。 2.2一维波动方程及其解 取桩轴线为轴，桩顶受力作用，将沿杆件产生位移，质点运动速度为和

9、应变，根据虎克定律，有公式： (4) 将（1）式两边对微分，得 (5) 利用牛顿定律，并合并(1)和(2)式，得； (6) 令,得出一维波动方程： (7) 所以得出一维波动方程组； (8) 令，利用复合函数微分法则得 (9) 同理有， (10) 将(6)代入(7)，并对积分得 ，（是的任意可微函数） 再将上式对积分得 (11) (8)式即为波动方程的达朗贝尔通解，可见波形函数独立地以波速沿传播4。可利用波的叠加原理，求出杆在时刻位置处的合力、速度及位移。质点运动速度和应变通过对(8)式求导得出： (12) (13) 则，又根据得出： ， 即， (14) 式中：波阻抗()； 应力波波速（）； -

10、弹性模量（）； -材料密度（）； -横截面积（）。 3小应变的不足及改进的办法 基桩小应变检测是根据线性振动理论，将桩体看作一维弹性杆件，桩与桩周十视为一个线性振动系统。系统对外界的响应遵循一维弹性波方程。该基桩检测是建立在理想化的一维杆件波动理论基础上的，故在现实基桩检测中对桩身完整性判断便存在局限性。下面分别从几个方面分析低应变基桩检测的局限性及探讨其解决和改进的办法： （1）测桩盲区问题。桩顶受到激励后，其激励能量在桩土系统中沿深度传递过程为波动。下行的压力波遇到桩身阻抗有变化和桩侧阻力都要产生上行的应力反射波。由波长公式=cf。可知:若激振力频率f小,使l(l为缺陷深度),应力波传播不

11、满足波动理论，将测不到桩身缺陷的反射波。当桩顶受到激振扰动后，最初形成的波动区，靠近桩顶部分形成半球面波，传播不满足平截面假设，同样使得反映桩身缺陷的或扩颈的上行波不易识别。 针对桩身浅部缺陷的测试盲区问题，往往要求用最轻最小最硬的金属锤乃至小铁钉。因此，在实际检测中，用力棒敲出桩底反射波，确定桩长，然后用小铁锤敲击采集桩身是否存在浅部缺陷。将二者有效结合起来，综合判定桩身完整性。 （2）倘若基桩渐变缩颈、离析，且范围较大时，反射波形缺陷反应不明显；若这些缺陷达到一定的程度，则会给工程带来较大的不利与事故隐患。 此类不足，可采用超声波透射检测试验，可得到桩身强度随深度缓慢降低的曲线8，可以先进

12、行静载荷试验，后进行低应变反射波检测，并结合地质资料和施工记录做判断与结论。 （3）嵌岩桩，桩底反射不明显。在检测桩中，常常会遇到嵌岩桩，桩尖嵌固较好，桩周为高阻抗岩土体的情况，用反射波测试，桩底反射非常弱，难于辨识，即使采用指数放大技术，也难以确定桩底的位置。 针对这种情况可结合机械阻抗法，综合确定检测结果。对于嵌岩桩，桩底时域反射信号为单一反射波且与锤击脉冲信号同向时，应采取其他方法核验桩端嵌岩情况。 （3）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，低应变很难准确地判断基桩的倾斜程度。 基桩倾斜与否是相对检测面（水平面）而言的，故可以事先预制不同倾向的模具或模块，将其逐一

13、或者一次性安装在桩头上，通过模块与桩头的组合，使组合后的某个模块其检测面与桩中心轴线垂直或平行，亦即通过多组不同垂直度偏差的模块与桩头组合后的模拟测试，寻找出一组与直桩特真相同的时程曲线及振幅谱图，其对应的桩顶面模块的反倾向方向及其垂直度偏差，即为该桩的倾斜方向及垂直度偏差。 （4）桩身质量类型的判别与确定。目前工程中对缺陷桩的分类，往往依赖于有较好实践经验的工程技术人员的经验确定，这对于基桩缺陷的分类形成不利的影响9。 通过大量的试验研究，总结不同缺陷类型的波形特征，并探索相应的理论分析，应能改变依赖经验判断的局限性。这实质上是一个模式识别的问题，选取分类特征是其关键。当前支持向量机技术以其

14、以往以神经网络技术经验风险最小化不同的结构风险最小化特征发展起来，这一新方法会为基桩完整性分类的自动识别提供新的契机。 （5）应力波的衰减。时域信号在传播过程中能量逐渐耗散，特别是当桩与土的阻抗（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。 为了减小应力波衰减带来的影响，在进行桩身完整性量化分析时，应将信号进行指数放大处理，以消除因土阻力而引起的信号衰减所造成缺陷量的变化。 （6）大直径的高频干扰问题。根据基桩小应变检测方法及其理论基础，基桩小应变法用手锤或力棒激振，在桩顶近似点振源，桩顶附近横截面每一质点的运动速度并不一致。尤其在大直径桩小应变检测中，常出现一种

15、与测量系统频率特性无关的高频干扰，桩径愈大而脉冲窄时更为严重。这样的干扰幅值随时间衰减较慢。并对缺陷反射和桩底反射有一定的掩盖作用。 从应力波传播的角度来看，大直径桩桩顶受冲击后产生了压力波、剪切波和瑞利波。已有研究成果表明：瑞利波能量占78%，剪切波能量占26%，压缩波能量占7%；压缩波衰减快，剪切波次之，瑞利波最慢。小锤在桩顶面中心敲击时，桩顶的质点纵向运动速度会受到桩周反射波的影响。具体表现在：压缩波传到桩周，仅有部分能量反射回桩顶中心，质点运动速度为水平向，且能量很小，对顶面质点纵向运动影响小；剪切波将从桩周产生全反射，能量占比例较大，将使测试信号产生一定的高频成分；瑞利波也有很大一部

16、分能量从周边反射，同时衰减慢，也将使测试信号中产生高频成分。因而实测中所见的高频干扰主要是剪切波和瑞利波在桩中心和周边来回绕射形成的高频波的祸合。 出于桩的尺寸效应，经典的一维应力波理论在低应变检测中受到了限制。为了提高小应变检测的适用性和准确性，工程中应采取有效措施减少信号的高频干扰，提高检测精度。根据理论计算，传感器安装在距桩中心2r3处(r为桩半径)，这样子高频干扰便最小。工程中实际的桩身不可能是形状规则、材质均匀的圆形，所以高频干扰振幅最小点并不是精确存在于2r3处。 针对这种问题，实际检测时，增加传感器的安装位置（桩径小于1.2m，每根桩不应少于3个点；桩径大于1.2m，每根桩不应少

17、于4个点）。通过增加增加传感器，可找到对测试结果影响很小的传感器安装位置及其与激振部位的有效组合点，这不仅可以避开高频干扰，同时又可避免大直径桩测试时缺陷方向的影响。另外，对大直径桩的检测，当敲击力脉冲过窄，也易产生高频干扰信号。因此，在检测大直径桩时，应使用尼龙头或加大锤垫厚度以拓宽脉冲宽度，减小高频干扰信号影响。 4结论 虽然小应变反射波法具有诸多优点并应用广泛，但其也存在一些不足，其中包括：桩周土对波形曲线的影响；桩身浅部的缺陷难识别；缺乏对缺陷的定量分析；第二缺陷的判断识别困难；难以分辨渐变的缺陷等。 小应变基桩完整性检测是涉及建筑结构、工程地质、材料科学、波动学、电子技术、计算机技术等的综合学科。因此，在实际工程检测中，不应依赖于某种或某几种方法，而是多种方法互相补充，取长补短，并结合理论基础和实践经验对检测结果做判断。 参考文献 谭海立, 基于小波分析的基桩完整性检测d.武汉：武汉理工大学，2010. 程翠. 应力波反射法基桩完整性检测结果影响因素及对策d.大连：大连海事大学，2008. 陈昌军. 浅议基桩低应变法测试浅部缺陷