第9章桩身完整性检测

第9章桩身完整性检测9.1低应变法检测桩身完整性方法定义：采用低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线或速度导纳曲线，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。试验过程及测试信号的评判传感器

数据采集

计算机

软件分析

试桩应力波发射图t=2L/C低应变法测试设备北京康科瑞武汉岩海北京康科瑞1桩头应按下列规定进行处理：

（1）凿去桩顶浮浆、清除松散或破损砼，使桩顶露出坚硬的混凝土表面，桩顶表面应平整干净且无积水，最好采用便携式砂轮机等工具磨平；

（2)桩顶的材质、强度、截面尺寸应与原桩身基本等同。

(3)对于预应力管桩，当法兰盘与桩身混凝土之间结合紧密时，可不进行处理，否则，应采用电动锯将桩头锯平。

(4)妨碍正常测试的桩顶外露主筋应割掉。9.1.1测试技术2应仔细检查和准备仪器，使测试系统各部分之间匹配良好。采用交流电源检测时，应有接地措施，严禁电源零线带电。

3应通过对比测试，选择适当的锤型、锤重、锤垫材料、传感器安装方式。测试技术1传感器安装在桩顶面。安装完毕后的传感器必须与桩顶面保持垂直，且紧贴桩顶表面，在信号采集过程中不得产生滑移或松动。

2传感器可用黄油、橡皮泥、石膏等材料作为耦合剂与桩顶面粘接，或采取冲击钻打眼安装方式，不应采用手扶方式。测试技术传感器安装3对于钢筋混凝土灌注桩，传感器安装时应符合下列规定：

(1)传感器安装点及其附近的表面应平整，其周围不得有缺损或裂缝；

(2)当锤击点在桩顶中心时，传感器安装点与桩中心的距离宜为桩半径的三分之二左右。

(3)当锤击点不在桩顶中心时，传感器安装点与锤击点的距离不应小于桩半径的二分之一。测试技术4对于预应力混凝土管桩，传感器安装点、锤击点与桩顶面圆心构成的平面夹角宜为900左右。测试技术1检测时，应合理设置采样时间间隔、采样点数、增益、传感器灵敏度、模拟滤波、触发方式等，其中增益应结合激振方式通过现场对比试验确定。

2检测时用锤冲击桩顶面，必须沿桩轴向激振。

3锤的质量的选择。测试技术测试要求冲击锤型大小对波形的影响（ａ）冲击锤型不合适（ｂ）冲击锤型合适3每根桩的检测信号数量应符合下列规定：

(1)根据桩直径大小，桩心对称布置2～4个测点，每个测点记录的有效信号数不宜少于3个；

（2）不同测点所得到的信号一致性差时，应分析原因，增加检测点数量。测试技术4检测时应随时检查采集信号的质量，可根据缺陷所在位置的深浅，及时改变锤击脉冲宽度。当检测长桩的桩底反射信息或深部缺陷时，冲击入射波脉冲应较宽；当检测短桩或桩的浅部缺陷时，冲击入射波脉冲应较窄，同时采样时间间隔应较小。

5对检测信号宜作叠加平均处理，参与叠加平均处理的信号应不失真、无零漂现象，且信号数量不宜少于5个。测试技术（1）采用加速度传感器时，可选择小于10Hz的高通滤波和大于2000Hz的低通滤波对积分后的速度信号进行处理。

（2）采用速度传感器时，可选择小于20Hz的高通滤波和大于1000Hz的低通滤波对速度信号进行处理。9.1.2检测数据的分析与判断1信号处理（3）当桩底信号较弱时，可采用指数放大，指数放大倍数以2～30倍为宜，被放大的信号幅值不应大于入射波的幅值，进行指数放大后的波形应基本回零。

（4）当需要时，可使用旋转处理功能，使测试波形尾部基本位于零线附近。2应根据应力波理论对检测信号进行分析。

（1）信号分析前，首先应确定桩基工程的纵波波速平均值。对工程地质条件相近、成桩工艺相同、同一单位施工的桩基，确定其桩基工程的纵波波速平均值时，应符合下列规定：

参加统计计算的桩应为一类桩，数量不应少于5根；纵波波速时域计算示意图纵波波速频域计算示意图纵波波速值与平均值之差的绝对值大于平均值的5％者，不得参与统计。

纵波波速平均值Cm按下式计算：

Cm＝∑Ci／n

式中:n一统计纵波波速平均值所用的被检测桩的数量；所检测桩的测试信号符合下列要求，判为一类桩：

（1）有明确的桩底反射信号；

（2）除冲击入射波和桩底反射波外，在桩底反射波到达前，基本无反射波发生；

（3）实测纵波波速在正常的范围内。

(4)桩底谐振峰排列整齐等间距f=c/2L扩颈桩应判为一类桩。桩身某部分阻抗增大（强度增加或截面积增大），会产生与入射波相位相反的反射波。（a）单界面扩颈反射波示意图(b)扩颈-还原反射波示意图4桩底反射波与入射波相位相同，且能判定为桩底存在虚土或沉渣时，应判为三类桩或四类桩。

5检测信号显示桩身存在缺陷时，应根据缺陷反射波的幅值和相位、缺陷的深度位置、施工资料、工程地质资料、设计资料，结合经验综合分析缺陷严重程度，确定桩的类别。6桩身缺陷位置可按下式估算：

Li＝Cm·Δti／2

式中:Li一测点至桩身第i个缺陷的距离；

Δti—桩身第i个缺陷的反射波波峰与入射波波峰对应的时差）。

桩身缺陷位置也可用振幅谱上峰间频差进行估算：

Li＝Cm／Δfi／2缺陷位置计算示意图缺陷桩纵波波速计算示意图（时域）缺陷位置计算示意图缺陷桩纵波波速计算示意图（频域）缺陷位置计算示意图7对于混凝土预制桩和预应力管桩，当测试信号出现以下情况之一时，宜判为四类桩：

(1)未见到桩底反射，却出现周期性的同相反射波；

(2)未见到桩底反射，却在2L／C时刻前出现幅值较大的反射波，且反射波与入射波同相位。8对于混凝土灌注桩，注意区分缓变形后阻抗突变处的反射和扩经突变处的二次反射。

9对于堪岩桩，桩底反射时域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。

10桩头疏松或桩身有浅部缺陷时，宜处理后重新检测。11对于夯扩桩，人工挖孔、钻孔扩底桩，沉管灌注复打桩，应考虑桩的截面变化对测试结果的影响，综合分析波形，确定所检测桩的类别。12出现下列情况之一时，桩身结构完整性评价应结合其它检测方法进行：

（1）反射信号复杂，无规律，无法对其进行准确评价；

（2）桩身界面渐变或多变，且变化幅度较大的混凝土灌注桩；低应变测试信号解读低应变法适用条件和应用中应注意的问题理论基础：（振动）平截面一维弹性均匀细长杆桩径限制不能过大设计桩身截面宜基本规则缺陷的难定量与类型难区分最大有效检测深度受限制不能用波速推定桩身混凝土强度用波速只能估算不能校核桩长复合地基中桩的检测问题特别注意：土阻力影响阻抗渐变型多缺陷桩9.2高应变法检测基桩完整性桩身完整性判定txta9.3声波透射法检测桩身完整性2.3.7声波透射法方法定义：

在预埋声测管之间发射并接收声波，通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，对桩身完整性进行检测的方法。测试原理与过程：预埋声测管2～4根声测管内注水介质从下往上间隔<25cm测试主要判定依据：声时t、波幅A、频率f砼质量差t、A、f发生变化与低应变法原理上区别

桩身缺陷

桩身

换能器

桩身缺陷

桩身

1

2

1

声测管声测法原理图声波透射法的基本原理

声波种类和对应的频率范围名称频率范围次声波0～2×101Hz可闻声波医用声波2×101～2×104Hz1×104～1.5×104Hz超声波2×104～1010Hz特超声波>1010Hz混凝土声波透射法使用的主频率一般为2×104～1010Hz纵波P横波S注：只有固体才能传播横波表面波R波类型波的形式：平面波、球面波、柱面波兰姆波、扭转波等有关波的概念：波振面、波前、波线波面波线u波前（c）波动方程平面余弦波在理想介质中的波动方程

物理意义：tTA0xAu

x=x0处平面上质点的振动规律t=t0时，介质中各质点的位移影响声波波速的主要因素：纵波波速横波波速表面波波速vP＞vS＞vR

弹性固体介质中声波在不同边界下波速（1）波长和边界条件（2）声波频率（3）测距反射波法与声波透射波法波速的比较声波在固体介质中传播时的能量衰减衰减的原因：吸收衰减散射衰减扩散衰减衰减系数：α的单位为NP/cm

衰减系数的单位为dB/cm

声波在混凝土中传播的特点声波能量衰减大指向性差声波传播路径复杂经混凝土介质特性调制后声波的构成复杂声波信号的频域分析时域分析与频域分析频域分析的特点目的：分析声波穿越被测介质后的频谱变化情况，而不是被测介质的自振特性。截取时域波形长度越长，频域分辨率越高，泄漏的信号越少，但由于波的叠加，主频位置随截取长度增大而向低频区漂移。符合采样定理f=1/τ>2fc频率分辨率、采样点数、采样频率三者之间的关系采样频率一定，增加采用点数，频率分辨率提高；采样点数一定，增加采样频率，频率分辨率降低。声波透射法的仪器设备（1）检测仪器：声波仪的组成：计算机、高压发射与控制、程控放大与衰减、A/D转换与采集混凝土声波仪的功能：向待测的结构混凝土发射声波脉冲，频率在20～250kHz范围内，使其穿过混凝土，然后接收穿过混凝土的脉冲信号。仪器显示声脉冲穿过混凝土所需时间、接收信号的波形、波幅等。根据声脉冲穿越混凝土的时间和距离，可计算声波在混凝土中的传播速度；波幅可反映声脉冲在混凝土中的能量衰减状况，根据所显示的波形，经过适当处理后可对被测信号进行频谱分析。《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CS21：2000）对声波仪的要求：声时最小分度为0.1μs、接收放大器的频响范围10～500kHz（2）换能器：功能：发射换能器——实现电能向声能的转换；接收换能器——实现声能向电能的转换。一般可互换，但增设前置放大器，不能互换主要技术指标：工作频率；指向性技术要求：a 沿径向（水平方向）无指向性。

b径向换能器的谐振频率宜采用20～60kHz、有效工作面轴向长度不大于150mm。c实测主频与标称频率相差应不大于±10%，其水密性应在1MPa水压下不渗漏。(3)声测管钢管、钢质波纹管、塑料管要求内径比换能器直径大1～2cm埋设数量：1

2

1

3

2

1

2

3

4

D≤800mm800mm<D≤2000mmD>2000mm北京康科瑞广东汕头超声仪器研究所武汉中科创新国内90多种型号声波透射法测试装置与设备声波透射法的检测技术测试前的准备：检测步骤：首先采用平测法进行普查，找出声学参数异常的测点。然后，采用加密测试、斜测或扇形扫测等方法进一步检测一方面可以验证普查结果，另一方面可以进一步确定异常部位的范围。平测（1）将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，进行剖面编码。（2）将发、收换能器分别置于某一剖面的两声测管中，并放至桩的底部，保持相同标高。（3）自下而上将发、收换能器以相同的步长（一般不宜大于250mm）向上提升。每提升一次，进行一次测试，实时显示和记录测点的声波信号的时程曲线，读取声时、首波幅值和周期值（模拟式声波仪），宜同时显示频谱曲线和主频值（数字式仪器）。重点是声时和波幅，同时也要注意实测波形的变化。（4）在同一桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。TTRR对可疑点的细测（加密平测、斜测、扇形扫测）1)局部缺陷：在平测中发现某测线测值异常，进行斜测，在多条斜测线中，如果仅有一条测线测值异常，则可以判断这只是一个局部的缺陷，位置就在两条实线的交点处。2)缩颈或声测管附着泥团：在平测中发现某些测线测值异常，进行斜测。如果斜测线中、通过异常平测点发收处的测线测值异常，而穿过两声测管连线中间部位的测线测值正常，则可判断桩中心部位是正常混凝土，缺陷应出现在桩的边缘，声测管附近，有可能是缩颈或声测管附着泥团。3)层状缺陷（断桩）：平测中发现某（些）测线值异常，进行斜测。如果斜测线中除通过异常平测点发收处的测线测值异常外，所有穿过两声测管连线中间部位的测线测值均异常，则可判定该声测管间缺陷连成一片。如果三个测试面均在此高程处出现这样情况，如果不是在桩的底部，测值又严重偏低，则可判定是整个断面的缺陷，如夹泥层或疏松层，既断桩。斜测有两面斜测和一面斜测。最好进行两面斜测，以便相互印证，特别是那种缩颈或包裹声测管的缺陷，两面斜测可以避免误判。桩身缺陷在桩横截面上的分布状况对单一检测剖面的平测、斜测结果进行分析，我们只能得出缺陷在该检测剖面上的投影范围，桩身缺陷在空间的分布是一个不规则的几何体，要进一步确定缺陷的范围，则应综合分析各个检测剖面在同一高程或邻近高程上的测点的测试结果，如图所示，一灌注桩桩身存在缺陷，在三个检测剖面的同一高程上通过细测，确定了该桩身缺陷在三个检测剖面上的投影范围，综合分析桩身缺陷的三个剖面投影可大致推断桩身缺陷在桩横截面上的分布范围。钻孔桩成像技术CrossholeTomography(CT)脉冲发射端接收端小缺陷严重缺陷桩外缺陷PVC或钢管T=174us无信号T=230usT=174usDExampleCSLandCTResultsSoftBottomConditionPier2Tubes4-5声波透射法检测数据及结果分析声学参数的计算和波形记录

声测管壁延时耦合介质（水）中的延迟系统延时－时距法波幅检测

波幅是测点首波幅值，它有两种表示方式。一种是用分贝（dB）数表示，即用测点实测首波幅值与某一