论述桩基检测中低应变检测法技术分析

论述桩基检测中低应变检测法技术分析余杰( 江门市蓬江区建筑工程质量检测站. 529000 )摘要：本文阐述了低应变反射波检测法的工作原理，并针对桩基检测中低应变检测技术进行分析论述，仅供参考。关键词：桩基检测；低应变；检测技术1 低应变反射波检测法工作原理分析反射波法以应力波在桩身中的传播特征为理论基础，当应力波在假定的一维均质杆件(桩)中传播时，取直杆的轴线作 轴，假定变形前的原始截面积 A、介质密度 P、弹性模量E 及其他材料性能参数均与坐标无关，各运动参数仅为 x 和 t 的函数，则直杆各截面的纵向振动位移可表示为 u(x,t)。其纵向振动微分方程为：式中 C2=E/p，为纵波在杆件中的传播速度。应力波在传播过程中，由于桩身截面的非杆性体特性，将会引起三维效应和横向惯性效应，给动测资料带来一定的不单一性，见图 1。在桩顶激振后， 由于质点的振动引起应力波往下传播，当遇到阻抗(RA)界面时，将产生反射和透射。根据界面连续条件和牛顿第三定律，界面上两侧的质点速度V、应力均应相等，即Vl+VR=VT A1( l+R)=A2T式中 V l入射波质点速度；VR 反射波质点速度；VT 入射波质点速度：l 入射波质点应力：R 反射波质点应力：T 入射波质点应力；A1 波阻抗界面上桩身的横截面面积；A2 波阻抗界面下桩身的横截面面积。由波阵面动量守恒条件得：式中p 1 波阻抗界面上桩身混凝土密度：p2 波阻抗界面下桩身混凝土密度；C1 波阻抗界面上侧的纵波波速；C2 波阻抗界面下侧的纵波波速；Z1 波阻抗界面上桩身的波阻抗，Z 1=p1C1A1Z2 波阻抗界面下桩身的波阻抗，Z 2=p2C2A2将式(2)和式(3)联立求解，可得：式中n 波阻抗比值，n=p 1C1A1p 2C2A2F 反射系数， F=(1-n)/(1+n)T 透射系数， T=2(1+n)。公式(4)、公式(5)是反射波诊断的依据，桩身各种性状以及桩底不同的支承条件，均可归纳成以下三种波阻抗变化类型。 当桩底为支承桩，胶结良好，波阻抗近似不变时(Z 1Z 2)，则 n=1，F=O，T=1。由式(4)、式(5)可知， R=VR=0，应力波为全透射，无反射信号，一般看不到桩底反射。但先决条件是激振的能量能充分影响到桩底。 当界面上应力波从高阻抗进入低阻抗时(Z 1Z2)，如磨擦桩的桩底、断裂、离析、缩颈等缺陷。Z 1Z2，则 nl，F0，由公式(4)可知， R 与 1 异号，反射波为下行拉力波。根据应力符号的定义，上行的拉力波与下行压力波一致，由公式(5)可知，V R与 V1符号一致。总之，在桩顶检测出的反射波速度、应力均与入射波信号极性一致。当桩底存在沉渣或桩身完全断裂情况下，Z 1Z2，则 n，F=-1，T=0。此时由式(4)、式(5)可得出 R=-1，V R=V1即桩底处于应力为零，速度加倍。 当界面上应力波从低阻抗进入高阻抗时(Z 10，由式(4)、式(5)可知， R 与 1 同号，反射应力与入射的压缩波相同，而 VR与 V1相反，反射波与入射波反相。2 曲线解析2.1 完整桩一般完整桩在时程曲线上的特征为：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，如图 2 所示。图 2:该桩为桩径 1000mm、桩长 30.3m 钻孔桩，设计混凝土强度等级为 C30，桩身完整，波速为 3700ms，在 8m 以前曲线下降，为粉砂土较好地层反应。桩底反射与入射同相，桩底反射明显。2.2 缩颈(夹泥)桩缩颈处截面积变小，波阻抗减小，应力波遇到缩颈会产生与入射波振动方向同相的反射，波形比较规则，波速一般正常。一般能看到桩底反射，若缩颈部位较浅，缩颈还会出现几次反射，但若缩颈程度严重，则难以看到桩底反射。图 3:该桩为直径 426mm、桩长 18m 的沉管桩。钢筋笼长 6m，设计承载力标；隹值320kN。经测试，桩身 6.57m 处存在缩径或局部离析，系因成桩时拔管太快所致，说明钢筋笼底部存在缺陷，但桩底基本可见，属 II 类桩。图 4：该桩为直径 l500mm、桩长 44.5m、C25 的钻孔桩。测试时发生在 2m 处同向子波反射幅值高于初至波，并有后继的多次反射，检测人员误认为是传感器黏结引起的正常振荡， 判为 I 类桩。经证实在 2.2m 左右桩身严重缺陷(夹泥)，应属于 III 类桩，后凿去桩头缺陷上部段，重新接桩。2.3 扩径桩扩径桩在曲线上反射波形较为规则，扩径处的反射波呈反相，或先反相后续同相，也可能有多次反射，一般情况能看到桩底反射。需要注意的是，如果桩周土较硬，波形曲线上也会出现类似于扩颈的反射波，如图 5 所示。图 5：该桩直径 1200mm、桩长 18.3m、C25。在灌注桩成桩过程中，由于孔口偏位校正，使桩浅部扩大造成扩径。实际灌入混凝土 33m (设计仅 22m )。充盈系数为 1.5。从测试波形中可见 25m 严重扩径，并出现多次反射。取芯验证桩身完整，混凝土强度满足设计要求。2.4 离析桩由于离析部位的混凝土松散，对应力波能量吸收较大，形成的缺陷子波不规则，后续信号杂乱，而且频率较低，计算得到的波速偏小，一般不易见到桩底反射，如图 6 所示。图 6：该桩直径 1000mm、桩长 45m，护简直径 1200mm、护筒长 2.0m，设计混凝土强度等级为 C30，在测试中发现 14.8m 处明显呈低频同相反射，属离析反映，无法见到桩底反射，经钻孔检测，发现均存在离析面。2.5 断裂桩由于在断裂处波阻抗的突变，在时程曲线上的反应有以下三种情况：上部断裂往往呈高频多次同相反射，反射波幅值较高，衰减较慢；中部断裂反映为多次同相反射，缺陷的反射波幅值较低；深部断裂波形反映下，类似摩擦桩桩底反射，但计算的波速明显高于正常桩的波速，如图 7 所示。图 7:该桩直径 700mm、长 54.9m、C25。由于地下室开挖，造成部分桩断裂，桩头倾斜。经测试，曲线呈等距多次同相反射。开挖后发现在 1.6m 处断裂。图 8:该桩为直径 377mm、桩长 16m 的沉管桩。设计混凝土强度等级为 C20，钢筋笼长度 4.5m，承载力 450kN。经测试在 1.4m 处有强的同相多次反射，衰减慢，无桩底反射，判为 2.8m 处断。开挖检查发现 2.85m 处断裂。属机械开挖时受损。2.6 脱焊虚焊等不良焊接桩预制桩和管桩的焊接缺陷及成桩时受损造成的焊接问题，表现为有同相反射，严重时难以见到下部位较大的缺陷或桩底反射。如图 9、图 10 所示。图 9:该桩为 PHC 管桩，桩径 600mm，壁厚 10cm，桩长 53m(10+10+10+11+12)，在5.09m 处有同相反射，判为 1lm 处，说明第一节打裂，焊接点脱焊。图 10:在 9.72m 处有明显的同相反射，判为 21m 处，说明第一节完好，第二节由于打桩使焊接点打脱裂，造成同相反射，下部无信号。2.7 桩头疏松桩头疏松或强度偏低的桩，测试结果无法反映桩的完整性，曲线反应为入射波波峰较低、脉；中较缓，而且后续波形呈低频，此类现象均属桩头强度偏低，如图 11 所示。图 11:该桩为直径 800mm、桩长 33m 的钻孔桩，C25，通长钢筋笼。初测时桩头疏松，曲线呈低频型，明显反映为弹性波呈慢速传播。经开凿桩头松散，凿去 12m 后，再进行复测，结果桩身完整，曲线正常，为 I 类桩。3 结束语采用低应变动力检测技术进行桩基检测时，应在分析桩身应力波传播特征的基础上，结合地质条件、施工工艺等多种因素，判断其完整性和质量类别。同时还应特别注意以下几点： 重视工程桩现场检测的每个环节，如桩头处理、传感器安放、激发点位置、激发能量