基桩低应变检测 - 韩侃

1、 采用采用低能量瞬态或稳态低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身部的速度时程曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法，也完整性进行判定的检测方法，也称为反射波法（或瞬态时域称为反射波法（或瞬态时域分析法）分析法）。 低应变是以低应变是以应力波在桩身中应力波在桩身中的传播特征为理论基础的一种的传播特征为理论基础的一种方法。该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆件，并且不考方法。该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆件，并且不考虑桩周土对沿桩身传播的应力波的影响。虑桩周土对沿桩身传播的应力波的影响

2、。范围：范围：规范要求：该方法适合于直径小于规范要求：该方法适合于直径小于2 2米，桩长不大于米，桩长不大于4040米。米。作用：作用：检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置。 低应变的理论基础是低应变的理论基础是一维应力波理论一维应力波理论，一维应力波理论，一维应力波理论有一个重要的假设即有一个重要的假设即平截面假设平截面假设，即假设力和速度只是深度，即假设力和速度只是深度和时间的函数。理论上，如果杆的长度和时间的函数。理论上，如果杆的长度L L远大于杆的直径远大于杆的直径D D，可将其视为一维杆，实际上，如果可将其视为一维杆，

3、实际上，如果S1D-2D ，认为可近似，认为可近似作为一维杆件处理。作为一维杆件处理。 当桩顶受到锤击点（点振源）锤击时，将产生一个四周当桩顶受到锤击点（点振源）锤击时，将产生一个四周传播的应力波，类似传播的应力波，类似半球面波半球面波，除了纵波外，还有横波和表，除了纵波外，还有横波和表面波，在桩顶附近区域内，平截面假设不成立，只有传到一面波，在桩顶附近区域内，平截面假设不成立，只有传到一定的深度（定的深度（一般一般S1D-2D）时，应力波沿桩身向下传播的波时，应力波沿桩身向下传播的波阵面才可近似看作是平面，即球面波才可近似看作是平面波，阵面才可近似看作是平面，即球面波才可近似看作是平面波，一

4、维应力波理论才能成立。一维应力波理论才能成立。 当介质的某个地方突然受到一种扰动，这种扰动产生的变形当介质的某个地方突然受到一种扰动，这种扰动产生的变形会沿着介质由近及远传播出去，这种会沿着介质由近及远传播出去，这种扰动传播的现象扰动传播的现象称为应称为应力波。力波。/ZEA ccA：密度；：密度；c：应力波速；：应力波速；A：桩横截面积；：桩横截面积；E：桩的弹性模：桩的弹性模量量;一维直杆：一维直杆：d1D-2D），波振面才近似为平面。此时手），波振面才近似为平面。此时手锤锤击桩端认为是应力波在一维杆件中竖直方向传播锤锤击桩端认为是应力波在一维杆件中竖直方向传播 。（3）传播：）传播：（4

5、）一维杆应力波波动方程）一维杆应力波波动方程022222xuctu0EC物理意义就是应力波在桩身中的传播速度。物理意义就是应力波在桩身中的传播速度。（5）应力波在自由端完整桩中的传播）应力波在自由端完整桩中的传播TV入射波与反射波同相（5）应力波在自由端完整桩中的传播）应力波在自由端完整桩中的传播（6）应力波在固定端完整桩中的传播）应力波在固定端完整桩中的传播入射波与反射波反相（6）应力波在固定端完整桩中的传播）应力波在固定端完整桩中的传播TVL桩嵌岩桩底反射，与入射波反相（7）应力波在波阻抗减小桩中的传播）应力波在波阻抗减小桩中的传播（7）应力波在波阻抗减小桩中的传播）应力波在波阻抗减小桩中

6、的传播TVL桩截面减小入射波与反射波同相桩底反射（7）应力波在波阻抗减小桩中的传播）应力波在波阻抗减小桩中的传播TVL桩缩径缩径反射，与入射波同相扩径反射，与入射波反相桩底反射（8）应力波在波阻抗增大桩中的传播）应力波在波阻抗增大桩中的传播（8）应力波在波阻抗增大桩中的传播）应力波在波阻抗增大桩中的传播TVL桩截面增大并嵌岩扩径反射，与入射波反相桩底反射，与入射波反相（8）应力波在波阻抗增大桩中的传播）应力波在波阻抗增大桩中的传播TVL桩扩径扩径反射，与入射波反相缩径反射，与入射波同相桩底反射，与入射波同相 基本公式：基本公式： t=2L/Ct=2L/C 由此可知，如能测到弹性波的传输时间，由

7、此可知，如能测到弹性波的传输时间， 当波速已知时，即当波速已知时，即可确定反射波可确定反射波 的位置；反之，如桩长已知，即可测到砼波速。的位置；反之，如桩长已知，即可测到砼波速。TVLL1L2T1T2T3T4整桩平均波速整桩平均波速C：C=2L（T4T1）扩径位置扩径位置L1：L1=C（T2T1）2扩径范围（扩径范围（L2L1）：）：（L2L1）= C（T3T2）2（1）检测原理）检测原理 （2）引起反射波的原因）引起反射波的原因截面发生变化桩底夹泥混凝土质量变化离析土层变化利用应力波在桩中传播时，利用应力波在桩中传播时，当桩身的当桩身的波阻抗发生变化波阻抗发生变化会产生反射会产生反射的原理，

8、通过的原理，通过分析反射波的分析反射波的幅值、相位、幅值、相位、到达时间到达时间，得出桩缺陷的，得出桩缺陷的大小、性质、位置等信息，大小、性质、位置等信息，最终对桩基的完整性给予最终对桩基的完整性给予评价评价（3）低应变所能检测到的现象）低应变所能检测到的现象 （4）低应变不能检测到的现象）低应变不能检测到的现象优点：优点：（1）设备简单，操作简单设备简单，操作简单 （2） 检测速度快、费用低检测速度快、费用低缺点（局限）缺点（局限）： （1）对于）对于多缺陷桩多缺陷桩，应力波在桩中产生多次反射和透射，对实测，应力波在桩中产生多次反射和透射，对实测波形的判断非常复杂且不准确。波形的判断非常复杂

9、且不准确。 （2）不能定量计算桩底沉渣厚度不能定量计算桩底沉渣厚度。对端承桩的嵌岩效果。对端承桩的嵌岩效果只能做定只能做定性判断性判断。因嵌岩有时出现较强的负向反射波，会严重影响桩底反射。因嵌岩有时出现较强的负向反射波，会严重影响桩底反射波和桩底沉渣的判断。波和桩底沉渣的判断。 （3）只能）只能对桩身质量作定性描述，不能作定量分析对桩身质量作定性描述，不能作定量分析。不能识别纵。不能识别纵向裂缝，能反映水平裂缝和接缝，但程度很难掌握，易误判为严重向裂缝，能反映水平裂缝和接缝，但程度很难掌握，易误判为严重缺陷。缺陷。n（1）当采用低应变或声波透射法检测时，受检桩混凝土强度至少）当采用低应变或声波

10、透射法检测时，受检桩混凝土强度至少达到设计强度的达到设计强度的70%，且不小于，且不小于15MPa。n（2）桩头的材质、强度、截面尺寸应与桩身基本等同。）桩头的材质、强度、截面尺寸应与桩身基本等同。n（3）桩顶面应平整、密实，并与桩轴线基本垂直。）桩顶面应平整、密实，并与桩轴线基本垂直。（1）时域信号记录的）时域信号记录的时间段长度时间段长度应在应在 2L/c 时刻后延续不少于时刻后延续不少于 5ms ；幅频信号分析的；幅频信号分析的频率范围频率范围上限不应小于上限不应小于 2000Hz。（2）设定桩长应为桩顶测点至桩底的）设定桩长应为桩顶测点至桩底的施工桩长施工桩长，设定桩身截面，设定桩身截

11、面积应为积应为施工截面积施工截面积。（3）桩身波速可根据本地区同类型桩的测试值初步设定。）桩身波速可根据本地区同类型桩的测试值初步设定。（4）采样）采样时间间隔或采样频率时间间隔或采样频率应根据桩长、桩身波速和频域分应根据桩长、桩身波速和频域分辨率合理选择；时域信号采样点数不宜少于辨率合理选择；时域信号采样点数不宜少于 1024 点。点。（5）传感器的设定值应按计量检定结果设定。）传感器的设定值应按计量检定结果设定。n（1）传感器安装应与桩顶面垂直；用）传感器安装应与桩顶面垂直；用耦合剂耦合剂粘结时，应粘结时，应具有足够的粘结强度。具有足够的粘结强度。n（2）实心桩实心桩的激振点位置应选择在的

12、激振点位置应选择在桩中心桩中心，测量传感器安，测量传感器安装位置宜为距桩中心装位置宜为距桩中心 2/3 半径处；半径处；空心桩空心桩的激振点与测量的激振点与测量传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成的夹角宜为的夹角宜为 90，激振点和测量传感器安装位置宜为桩壁，激振点和测量传感器安装位置宜为桩壁厚的厚的 1/2 处。处。D0.8m 0.8mD1.25m1.25mD2.0mD0.8m 0.8mD1.25m1.25mD2.0mD0.8m 0.8mD1.25m 1.25mD2.0m（3）激振点与测量传感器安装位置应）激振点与测量传感器安装

13、位置应避开钢筋笼避开钢筋笼的主筋影响。的主筋影响。（4）激振方向应沿桩轴线方向。）激振方向应沿桩轴线方向。（5）瞬态激振应通过现场敲击）瞬态激振应通过现场敲击试验，选择试验，选择合适重量的激振合适重量的激振力锤和锤垫，力锤和锤垫，宜用宜用宽脉冲宽脉冲获获取桩底或桩身下部缺陷反射取桩底或桩身下部缺陷反射信号，宜用信号，宜用窄脉冲窄脉冲获取桩身获取桩身上部缺陷反射信号。上部缺陷反射信号。n（6）激振应在每一个设定频率下获得稳定响应信号，并）激振应在每一个设定频率下获得稳定响应信号，并应根据桩径、桩长及桩周土约束情况应根据桩径、桩长及桩周土约束情况调整激振力大小调整激振力大小。n（1）根据桩径大小，

14、桩心对称布置）根据桩径大小，桩心对称布置 24 个检测点；每个个检测点；每个检测点记录的有效信号数检测点记录的有效信号数不宜少于不宜少于 3 个个。n（2）检查判断实测信号是否反映桩身完整性特征。）检查判断实测信号是否反映桩身完整性特征。n（3）不同检测点及多次实测时域信号一致性较差，应）不同检测点及多次实测时域信号一致性较差，应分分析原因，增加检测点数量析原因，增加检测点数量。n（4）信号不应）信号不应失真失真和产生和产生零漂零漂，信号幅值不应超过测量，信号幅值不应超过测量系统的量程。系统的量程。桩头处理仪器连接传感器安装程序设置手锤锤击信号采集与分析结果打印凿掉浮浆打磨平整桩头干净干燥Si

15、te DBPile 26AThu Jan 28, 2010f:3 srV7.43500m/sexp:20 00.751.52.2533.754.55.2566.757.5 mSite DBPile 26AAThu Feb 04, 2010f:3 srV7.43500m/sexp:10 00.751.52.2533.754.55.2566.757.5 m加速度传感器连接速度传感器连接传感器耦合传感器耦合橡皮泥耦合黄油耦合口香糖耦合手锤垂直与桩面，锤击点平整，锤击干脆，形成单扰动。 （1）当桩长已知、桩端反射信号明显时，选取相同条件下不）当桩长已知、桩端反射信号明显时，选取相同条件下不少于少于5根

16、根类桩的桩身波速类桩的桩身波速按下式计算其平均值：按下式计算其平均值：11nminicc210002LiTcLf 式中 cm桩身波速平均值(m/s); Ci第i根桩的桩身波速计算值（m/s）； L完整桩桩长（m）； T时域信号第一峰与桩端反射波峰间的时间差(ms)； f幅频曲线桩端相邻谐振峰间的频差（Hz），计算时不宜取第一与第 二峰； n基桩数量（n5） （2）当桩身波速平均值无法按上款确定时，可根据）当桩身波速平均值无法按上款确定时，可根据本地区本地区相同桩型相同桩型及施工工艺的其他桩基工程的测试结果，并及施工工艺的其他桩基工程的测试结果，并结合桩身混凝土强度等级结合桩身混凝土强度等级与实

17、践经验综合与实践经验综合确定。确定。漂移漂移?注意放大函数。不要用大的注意放大函数。不要用大的MD （放大延迟参数）（放大延迟参数）形状改变形状改变桩底信号太小桩底信号太小低通滤波器低通滤波器(LO): 来去除高频噪音来去除高频噪音高频高频噪音噪音可用小波可用小波(WL)来代替来代替低通低通(LO):作用：作用：小波小波滤波能更好滤波能更好除去高频噪除去高频噪音、平滑曲音、平滑曲线。线。可用可用小波法小波法(WL)桩基为铁路桥桩，桩型：摩擦桩，施工桩长桩基为铁路桥桩，桩型：摩擦桩，施工桩长37.037.0米，混凝土强度米，混凝土强度C35C35，桩身混凝土龄期，桩身混凝土龄期2828天。天。从

18、时域曲线可以看出，从时域曲线可以看出，1.21.2米左右存在严重缺陷，米左右存在严重缺陷，3.43.4米是明显的扩米是明显的扩经引起的负向反射。影响桩身受力的主要是经引起的负向反射。影响桩身受力的主要是1.21.2米处的严重缺陷。米处的严重缺陷。 工程实例一工程实例一: :缩径缩径-0.100.000.100.204: # 78cm/sVelMA: 3.00MD: 7.40LE:37.00WS: 4100LO: 2.02HI: 0.00PV: 5T1: 3705101520253035 mT1Toe开挖验证，缩径位置在开挖验证，缩径位置在1.31.3米处，缩径已超出实米处，缩径已超出实际桩径的

19、有效尺寸。监理单位组织开会际桩径的有效尺寸。监理单位组织开会决定决定：截掉截掉桩顶到桩身桩顶到桩身1.3米这部分混凝土，用高标号米这部分混凝土，用高标号C40的进的进行接桩处理，然后对桩周土进行夯实处理。行接桩处理，然后对桩周土进行夯实处理。工程实例工程实例二二: :严重缺陷严重缺陷- -露筋露筋桩基为铁路桥桩，桩型：摩擦桩，施工桩长桩基为铁路桥桩，桩型：摩擦桩，施工桩长36.036.0米，混凝土强度米，混凝土强度C30C30，桩身混凝土龄期桩身混凝土龄期2828天。天。从时域曲线可以看出，从时域曲线可以看出，3.03.0米左右存在严重缺陷，综合现场条件进行开米左右存在严重缺陷，综合现场条件进

20、行开挖验证挖验证。-0.150.000.150.302: # 15cm/sVelMA: 1.00MD: 7.20LE:36.00WS: 3900LO: 1.31HI: 0.00PV: 0T1: 4405101520253035 mT1Toe开挖验证，缺陷位置自开挖验证，缺陷位置自3.03.0米处开始，已出现严重露筋米处开始，已出现严重露筋现象。现象。处理办法：处理办法：先对桩继续进行开挖，直至没有露筋现先对桩继续进行开挖，直至没有露筋现象位置，然后凿掉浅部桩身缺陷处以上混凝土，同时保护象位置，然后凿掉浅部桩身缺陷处以上混凝土，同时保护好钢筋不受损伤。凿除后，清洗干净混凝土表面，用高标好钢筋不受损伤。凿除后，清洗干净混凝土表面，用高标号号C40混凝土进行接桩处理。混凝土进行接桩处理。工程实例工程实例