基桩检测低应变培训课件

低应变检测

牡丹江科研建筑工程质量

检测有限公司

徐福贵一、一般原则1.1 检测目的1.1.1检测目的完整性是指反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标。完整性检测的目的是发现某些可能影响单桩承载力的缺陷，最终仍是为减少安全隐患、可靠判定工程桩承载力服务。所以，基桩质量检测时，承载力和完整性两项内容密不可分。

1.1.2 反射波法概述应力波：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开去，这种扰动传播的现象称为应力波。所谓低应变法，是指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。

1.2 适用条件1.2.1 适用条件反射波法的理论基础是一维线弹性杆件模型，受检基桩应满足下列条件：（1）长细比大于5；（2）瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸大于5；（3）设计桩身截面基本规则；（4）应力波传播时平截面假定成立。

1.2.2 适用桩型低应变方法检测适用于混凝土灌注桩、混凝土预制桩（包括预应力管桩）、复合地基增强体设计强度等级不小于C15的高粘结强度桩（类似于素混凝土桩，如水泥粉煤灰碎石桩）。薄壁钢管桩和类似于H型钢桩的异型桩，平截面假定不成立，低应变不适用；对于水泥土桩、砂石桩等桩身阻抗与桩周土的阻抗差异小，不能简单视为一维波，应视为三维球面波，应力波传播时能量衰减快，反射波法不适用。

1.2.3局限性

桩身有多个缺陷时，一般只能检测到最上面的缺陷（对深部缺陷不易测出）难以对缺陷进行定量描述测桩的长度受到一定限制不能提供单桩承载力当桩侧阻力很大时，桩底反射难于看到无法检测桩底沉渣厚度

低应变不能检测到的现象

1.2.4检测开始时间（1）混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa。（2）预制桩的检测应在相邻桩施工完毕之后进行。（3）预应力混凝土管桩的低应变检测应在填芯之前进行。

（4）当基础埋深较大时，考虑到基坑开挖对已成桩的影响问题，完整性检测应在基坑开挖至基底标高后进行。（5）完整性检测应在设计标高进行。（6）完整性检测宜在承载力检测之前进行。

1.2.5有效检测桩长由于受桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化的影响，应力波从桩顶至桩底再从桩底反射回桩顶的传播为一能量和幅值逐渐衰减的过程。

《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）没有规定有效测试深度，指出具体工程的有效检测桩长应通过现场试验，依据能否识别桩底反射信号，确定是否适用。在现场检测中，长径比通常在20～30之间，检测的效果也比较理想。50m以上的桩用低应变极难检测，建议用声波透射法检测。

1.3 抽检数量（1）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）：直径小于和等于800mm的桩及直径大于800mm的非嵌岩桩，可根据桩径和桩长的大小，结合桩的类型和实际需要采用钻孔抽芯法或声波透射法或可靠的动测法进行检测，检测桩数不得少于总桩数的10%。

（2）《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）：桩身质量应进行检验。对设计等级为甲级或地质条件复杂，成桩质量可靠性低的灌注桩，抽检数量不应少于总数的30％，且不应少于20根；其他桩基工程的抽检数量不应少于总数的20％，且不应少于10根；对地下水位以上且终孔后经过核验的灌注桩，检验数量不应少于总数的10％，且不应少于10根。每个柱下承台不得少于l根。

（3）《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）：①柱下三桩或三桩以下的承台抽检桩数不得少于1根；②设计等级为甲级，或地质条件复杂。成桩质量可靠性较低的灌注桩，抽检数量不应少于总桩数的30%，且不得少于20根；其他桩基工程的抽检数量不应少于总桩数的20%，且不得少于10根。③地下水位以上且终孔后桩端持力层已通过核验的人工挖孔桩，以及单节混凝土预制桩，抽检数量可适当减少，但不应少于总桩数的10%，且不应少于10根。

桩身完整性验收抽样检测的受检桩选择宜符合下列规定：①施工质量有疑问的桩；②设计方认为重要的桩；③局部地质条件出现异常的桩；④施工工艺不同的桩；⑤符合①～④款规定的桩数较多，应适当增加抽检数量。同类型桩宜均匀随机分布。

1.4 前期准备（1）了解场地和桩型特点，进行细致的测前准备。（2）根据现场实际情况选择合适的激振设备、传感器及检测仪，检查测试系统各部分之间是否连接良好，确认整个测试系统处于正常工作状态。（3）根据天气状况，桩头准备情况和所选用传感器，选择合适的耦合剂和安装方式（4）受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。注意：检测面一定要水平，与桩轴线垂直。（5）检测点和激振点宜用便携式砂轮机磨平，在受检桩桩顶应分别打磨出直径约100mm的平面；破桩深度一般应至桩头直径与原桩径相符位置。

图1钻孔灌注桩低应变检测桩头处理图示桩身桩面平面

（6）妨碍正常测试的桩顶外露主筋应割掉。（7）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，应采用电锯将桩头锯平。注意下列问题：（1）处理桩头时，用挖掘机料斗撞断不要的桩头，然后用挖掘机料斗铲走断掉的桩头碎片，极易造成在桩头附近的混凝土桩身断裂或产生裂缝，给工程留下隐患。（2）工程实践中会经常碰到测试点标高大于设计标高的情况，这样就可能产生如下几个问题：

①浅部有明显或严重缺陷，而缺陷部位又在设计标高之上，该桩完整性如何评定？②截桩以后桩长是否满足设计要求？③在截桩过程中，操作器械对下部桩体有无产生影响？低应变检测（尤其是验收检测）必须在设计标高上进行，而且要在规范中予以明确（不论基础埋深如何），避免引起纠纷或留下隐患。二、基本原理2.1 弹性杆件应力波的传播规律2.1.1 上行波与下行波一般把桩身受压（不论是内力、应力还是应变）看作是正的，而把桩身受拉看作是负的；把向下的运动（不论是位移、速度还是加速度）看作是正的，而把向上的运动看作是负的。由于下行波的行进方向和规定的正向运动方向一致，在下行波的作用下，正的作用力（即压力）将产生正向的运动，而负的作用力则产生负向的运动。换句话说，下行波所产生的力和速度的符号永远保持一致。上行波所产生的力和速度的符号永远相反。

2.1.2入射波、反射波与透射波设桩身某段为一分析单元，其桩身介质密度、弹性波波速、截面面积分别用ρ，C，A表示，则令Z=ρCA

当桩身的几何尺寸或材料的物理性质发生变化时，则相应的ρ、C、A发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。

下行波与上行波的力和速度有如下关系：F↓=ZV↓F↑=ZV↑则界面处的反射波、透射波和入射波之间的关系为

弹性波在杆性质突变处的反射和透射规律(1)透射波总是与入射波同号;(2)当Z1＞Z2时(缩径),反射速度波与入射速度波同号;(3)当Z1＜Z2时(扩径),反射速度波与入射速度波异号.

2.2 波的传播过程图示（1）桩身完好，桩底支承条件一般。此时，仅在桩底存在界面，速度波沿桩身的传播情况如图4-11所示。

（2）桩身截面积变化。

（3）桩身断裂。

（4）桩身局部缩径、夹泥、离析。

（5）桩底扩大头，如图4-17所示。

2.3 算例分析分析以下三种情况：（1）桩身不存在任何阻抗变化；（2）桩身存在阻抗变化且仅有一个界面；（3）桩身存在两个阻抗变化界面。

桩身的阻抗由桩身材料的密度，面积以及在桩身中传播的弹性波速的乘积求得的，假定桩顶输入一个三角脉冲信号，而桩身是一根匀质弹性杆件，处于自由状态，长度为L。

图10桩身阻抗不发生变化（1）桩身阻抗不发生变化

（2）桩身存在一个阻抗变化界面桩身的中间存在一个界面。阻抗变化越大，反射回来的波幅就越强，反之则越弱

（3）桩身存在两个界面桩身中存在两个界面。桩身存在两个阻抗界面

2.4 典型信号（1）完整摩擦桩实测速度曲线上反射波与入射波同向起跳。

（2）完整端承桩实测速度曲线上反射波与入射波反向起跳。

（3）桩身缩径实测速度曲线上反射波与入射波同向起跳。

（4）桩身松散实测速度曲线上反射波与入射波同向起跳。

（5）桩身夹泥实测速度曲线上反射波与入射波同向起跳。

（6）桩身扩径当桩身扩颈时实测速度曲线上反射波与入射波反向起跳。

（7）深入分析①缩颈后再扩颈时的曲线形态：缺陷处曲线先产生负反射波，然后出现正反射。②扩颈后再缩颈时的曲线形态：缺陷处曲线先产生正反射波，然后出现负反射

当桩身扩颈时表现在实测速度曲线上反射波与入射波反向起跳。

（7）深入分析 ①缩颈后再扩颈时的曲线形态：缺陷处曲线先产生负反射波，然后出现正反射。

②扩颈后再缩颈时的曲线形态：缺陷处曲线先产生正反射波，然后出现负反射。

③缩颈的二次及多次反射的曲线形态：缺陷处曲线先产生正反射波，然后在间隔从桩头到缺陷位置的时间产生第二次正反射，第三次正反射…。④扩颈的二次及多次反射的曲线形态：扩颈处曲线先产生负反射波，然后在间隔从桩头到缺陷位置的时间产生第二次正反射，…第三次负反射…负正反射间隔出现。

⑤同一位置相同缺陷程度，在不同桩侧土阻力作用时的曲线特征：当桩侧土阻力较大时，反射波的峰值明显减小。

⑥相同缺陷程度但处于不同位置，在相同桩侧土阻力作用时的曲线特征：所处位置越深，反射波的峰值越小。三.仪器设备

采样频率：基桩动测时，我们实测的是连续模拟信号，它是连续时间函数，如F(t)、V(t)、a（t），计算机不能对模拟信号进行处理，因此必须对连续信号进行采样，即按一定时间间隔△t对模拟信号进行取值，△t称为采样间隔，△t的倒数为采样频率：fs=1/△t

采样时间：又称采样程度，是一次采样N个点数据所需要的时间。T=N×△t，一般N1024.信噪比：有用信号对噪音的比值。分贝：信号的幅度或功率与参考量的比以10为底的对数值。

A/D转换：包括采样和量化两个过程，把模拟信号转换成计算机可以自行处理的数字信号。低通滤波：通过滤波器函数衰减高频信息而使低频信息畅通无阻的过程。高通滤波：是为了衰减或抑制低频分量，让高频分量畅通无阻的过程。

频谱分析的概念：信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x（t）变换为频域信号X（f），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。

它表征动态信号的能量随着频率的分布情况。

3.1 基本要求（1）传感器：加速度传感器的频率范围宜为5～2000Hz，电荷灵敏度为30～100PC/g，电压灵敏度大于100mv/g，量程应大于100g；（2）放大器、滤波器：放大器宜采用带有积分器的电荷或电压放大器，增益宜大于60dB且可调，输入端的噪声电平应小于3μV，频率范围应宽于2～5000Hz；滤波器的频率在2kHz范围内可调；（3）数据采集和处理器：模/数（A/D）转换器的位数不低于12bit，采样频率不小于40kHz，单通道的采集点不少于1024点，应具有时域、频域处理功能。

3.2 检测仪器3.3 传感器传感器是接收桩内反射波信号的关键设备，其性能的好坏直接影响采集信号的可靠性。目前应用较广泛的有速度型和加速度型两种传感器。速度计和加速度计在使用和安装上也各有优缺点。加速度传感器，灵敏度高，频率范围宽，线性范围大，能够较为准确地判定出桩身的缺陷位置。

3.4 激振设备激振效果的好坏，主要受碰撞材料的重量、硬度、弹模、接触面积及碰撞方向和速度等影响；（1）材质越软、碰撞速度越低，锤体越重，信号的脉冲宽度就越大，覆盖的高频成份也就越少。（2）碰撞方向和碰撞形式主要影响波形形态，反射波测桩以自由落体和垂直敲击为宜，有利于抑制质点的横向振动。（3）一般大长桩用大力棒，短细桩或测试浅部缺陷时用手锤，当然敲击设备的选择也与地质情况有关，也可以根据经验选择。

（4）锤头材料：过硬，高频波提高缺陷分辨率，对探测浅部缺陷有利，但是易衰减，不易获取桩底反射；过软，低频波有利于桩底反射，但降低桩身上部缺陷的分辨能力。（5）冲击能量：锤重及落锤速度决定能量大小。能量应适中，过小，应力波很快衰减，看不到下部缺陷和桩底反射。在检测大直径长桩时应选择较重的力锤并加大锤击速度，大幅度提高敲击力，但锤过重将掩盖微小缺陷。锤重的选择应使得有明显的桩底反射为原则。（6）接触面积：对于直径灌注桩，除选择重锤加大能量冲击外，还要加大锤的直径，使接触面积增大

3.5 注意问题提醒读者注意下列问题：（1）用于基桩低应变动测的仪器设备，其性能应满足检测方法的要求。检测仪器应具有防尘、防潮性能，并可在－10～50℃的环境温度下正常工作。（2）仪器应每年进行一次全面检查和调试，长期不使用时，必须按使用说明书的要求定期通电。（3）测试仪器长途搬运时，必须装在有防振措施的仪器箱内或进行必要的防振保护。（4）对于现场使用的微机，应采取必要的保温或降温措施，尽可能创造一个良好的工作环境。对于传感器应采取严格的防潮、防水措施，以保证其正常工作四、现场试验4.1 参数设定（1）时域信号记录的时间段长度应在2L/c时刻后延续不少于5ms；幅频信号分析的频率范围上限不应小于2000Hz。（2）设定桩长应为桩顶测点至桩底的施工桩长，设定桩身截面积应为施工截面积。（3）桩身波速可根据本地区同类型桩的测试值初步设定。（4）采样时间间隔或采样频率应根据桩长、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1024点。（5）传感器的设定值应按计量检定结果设定。

4.2 耦合剂为了接收手锤敲击产生的应力波信号，应将加速度或速度传感器安装在被检桩的桩顶平面或桩身侧面。任何安装方式都是弹性连接。安装弹性大，安装刚度小；安装弹性小，安装刚度大。安装弹性无限小，接近刚体连接，相应的安装刚度无限大。耦合剂粘性越好，弹性越差，厚度越薄，信号越接近桩面质点振动。藕合层在保证填满接触面空隙的前提下宜尽量减薄。一般采用橡皮泥、黄油作为耦合剂。

传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄传感器安装面应与桩顶面紧密接触

4.3 安装与接收实心桩的激振点位置应选择在桩中心，测量传感器安装位置宜为距桩中心2/3半径处。空心桩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的夹角宜为90°，激振点和测量传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。

4.4 锤击装置信号激振是检测工作的重要环节之一，对激振的要求有三点：（1）产生一定能量的应力波沿桩身传递；（2）激振信号的脉冲宽度需人为加以控制。注意：不同宽度的激振脉冲，对桩身不同部位的反射波信号的拾取有明显的影响。（3）激振应避免产生杂波信号，其锤击效果较大程度取决于试验人员的经验。

现场检测及注意事项（1）安装全部测试设备，并应确认各项仪器装置处于正常工作状态。（2）在测试前应正确选定仪器系统的各项工作参数，使仪器在设定的状态下进行试验。（3）在瞬态激振试验中，重复测试的次数应不少于3次。（4）在测试过程中应观察各设备的工作状态，当设备均处于正常状态，则该次测试有效。（5）采用力棒，激振能量的可控性和信号重复性都比用锤敲击效果好。但在使用力棒时，由于力棒较重，很容易造成二次冲击，引起信号失真，故应特别注意。

6）现场敲锤的人员，该人员应该经过专门的训练，不宜在现场找民工敲锤，否则虽然也能采集到信号，但由于敲锤的轻重、落锤的垂直度、落距等不易掌握，必然会影响采集信号的效果，从而影响到后期分析的准确性。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。（7）手锤的手柄不应太长，否则易产生横向振动。

（8）无论是短柄的尼龙锤亦或力棒，敲击力要集中，锤击的方向都应该始终竖直向下，使振动模式单一；激振时应短促有力，干脆、利索，不要拖泥带水，理想的脉冲应为半正弦波。（9）激振能量要适当，激振能量以能看到桩底反射的前提下尽量小。五、信号分析与处理5.1 影响因素（1）桩周土的工程性质。（2）桩端土的工程性质差异，会影响到波的透射能量和反射能量的分配。（3）振源激发波的频率，一般频率高，分辨率高，衰减快，探测深度浅，频率低，分辨率低，衰减慢，探测深度大。（4）激发能量，一般波能大，传播远，探测深度大，反之则相反；

（5）各种波动干扰当反射波能量和桩底噪声处于同一级别时，就无法进行区分，所以要提高仪器的抗干扰能力，或进行数据叠加处理，消除随机干扰；（6）检测仪器的主机和传感器的灵敏度、主频也是重要影响因素。（7）检测人员的业务水平和检测经验是影响最终检测质量的关键因素。

5.2 数据处理5.2.1数字滤波滤波是波形分析处理的重要手段之一，是对采集的原始信号进行加工处理，它是为了将测试信号中无用的或次要成分的波滤除掉，使波形更容易分析判断。建议：低通滤波频率不宜低于2000Hz。

5.2.3

旋转由于漂移特性和土阻力方面的原因，可能自某一点开始出现线性漂移，以至于波形负向成份较多，不够美观，尾部不归零。

5.2.4叠加平均

叠加平均是消除随机噪声，提高信噪比的有效手段。

5.3 桩周土影响桩周土阻力对波形的影响：（1）导致应力波迅速衰减，检测时有效测试深度减少；（2）影响缺陷反射波的幅值，使缺陷分析时的误差加大。（3）在软硬土层交界处及附近产生土阻力波，干扰桩身反射波，土阻力反射波与桩身缺陷反射波易混淆，从而做成误判。

如果不考虑桩周土层对所采集曲线的影响，不了解桩侧的土质情况，有时会造成误判：（1）桩周土层的土力学性能越好，应力波衰减的速度越快。影响缺陷反射波的幅值，造成基桩完整性判别的困难。（2）在硬土层处将会产生类似扩径的反射波，在软土层处将会产生类似缩径的反射波。

5.2.2指数放大指数放大可以在确保入射波信号不削波的情况下，使底部信号得以清晰地显现出来。具体地讲，就对中下部信号按指数函数进行放大，起始时刻定为（0.4～0.6）L/c，起始时刻的放大倍数为1。但是，指数放大导致波形失真，过分突出了桩深部的缺陷，甚至可能“制造”出一个桩底反射。总结平均多锤数据(减少随机噪音)使用放大函数(补偿由于阻尼和土阻力等造成的信号能量损失)使用高通滤波器(HI)或旋转(PV)来减少低频成分（由土阻力、信号漂移等造成）使用低通滤波器来减少高频噪音

5.4 波速的确定5.4.1 波速确定桩身波速平均值的确定应符合下列规定：当桩长已知、桩底反射信号明确时，在地质条件、设计桩型、成桩工艺相同的基桩中，选取不少于5根Ⅰ类桩的桩身波速值计算其平均值。

5.4.2 注意下列问题：（1）计算桩身波速时，规范规定取速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差（峰－峰点时差）。但是，实践中经常发现反射波形较入射波形宽缓，高频入射脉冲尤甚。对于桩身材料强度高，砼龄期长的摩擦桩，以“升－升”法读取为宜。（2）检测仪器只是记录了一个桩顶速度或加速度的时域信号，桩长L和桩身波速c都是未知量。

为了求解桩长L，桩身波速c往往根据经验选取，显然，桩身波速c的取值对确定桩长L有直接关系，直接影响检测结论。桩身波速c取值不当造成工期延误甚至经济纠纷的情况时有发生。

（3）实践中将缺陷判浅的情况时有发生，浅部尤甚。实际上，浅部波速应选择三维波速，一般较一维波速高出约16％。

5.5 信号解释的基本方法 （1）缺陷存在可能性的判读 判断桩身缺陷存在与否，需分辨实测曲线中有无缺陷的反射信号，及分辨桩底反射信号，这对缺陷的定性及定量解释是有帮助的。桩底反射明显，一般表明桩身完整性好，或缺陷轻微、规模小。另外，可换算桩身平均纵波速c，从而评价桩身是否有缺陷及其严重程度。

（2）多次反射及多层反射问题多次反射现象的出现，一般表明缺陷在浅部，或反射系数较大（如断桩）。它是桩顶存在严重离析或断裂（断层）的有力证据。

5.6 信号解释的技巧（1）结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。如：预制桩、人工挖孔桩不可能缩径；