胡元秋

苏交科集团股份有限公司 江苏 南京 211112

引言

随着新技术、新材料和新工艺的迅速发展，基桩完整性检测方法也随着知识经济和信息技术的到来发生了很大变化。有过去单一的有损检测向无损检测转变。在科技不断进步的今天，建立一套行之有效的评价体系，对于正确有效的判定基桩完整性，提高经济效益有着十分重要的意义。

1 低应变（瞬态）测桩方法的原理及适用范围

1.1 低应变（瞬态）测桩方法的原理

低应变（瞬态）测桩方法的原理：通过在基桩的桩头部位以垂直的方向采用激振设备激发弹性应力波从而产生激振信号，此种应力波会沿着基桩的桩身方向向下传播，此波在传播的过程中，如果遇到桩身缺陷时（如桩身某处有夹泥、桩身某处有蜂窝、桩身某处有孔洞、桩身某处有断裂等）和基桩底部的时候，此应力波将会产生反射波。由于基桩底部和桩身存在缺陷的位置处所产生的波阻抗与正常完整没有缺陷的桩身混凝土波阻抗存在着较大的差异，从而我们可以通过分析反射波的波幅、波速、声时和波形的特点，来综合判断基桩的桩身完整性。

1.2 低应变（瞬态）测桩方法的适用范围

1.2.1 低应变（瞬态）测桩方法是目前国内和国外基桩桩身完整性的检测方法中最为常见的检测方式之一，广泛运用于桥梁工程、道路工程、房建工程中。使用该方法可以检测出预应力管桩、方桩、混凝土灌注桩等各种类型桩基础的完整性。技术人员可以通过对实测应力波的频域和时域特征来分析和判定出被检基桩的桩身完整情况、缺陷的位置及缺陷的影响程度、桩身底部与持力层的结合情况。

1.2.2 依据现有的一维弹性杆件波动的理论，桩身混凝土的强度值会远远高于桩身周围地基土的强度值，当基桩顶部受到激振则会产生应力波，该波基本上是沿着桩周传播的，当桩身某个截面位置存在缺陷时，应力波在此处的波阻抗则会发生比较大的改变，该截面处不仅会有入射波同时也会产生向上的反射波。如果波阻抗在桩身某个截面处表现为降低，并且采集到的波形为入射波与反射波相位同相。则此处桩身的缺陷为离析、夹泥、缩径以及断裂等；如果仪器设备所采集到的波形则表现为相反的相位，则此处的缺陷为扩径，所以，仅通过采集到波形的相位特点来分析判断基桩桩身缺陷的具体类型是具有一定困难的。除此之外，现有的分析软件，依然难以给出可信度较高的信号分析结果，目前的水平只能采用近似模拟的方法来分析基桩的完整性。在信号采集过程中还需要结合设计单位提供的地质勘探资料和施工过程中的技术资料，来对整个基桩的桩身存在缺陷类型和影响程度作出科学合理的判定。

1.2.3 由于基桩的桩身反射信号复杂和桩底的反射信号不容易识别等原因，导致低应变反射波法办法不能应用于水泥土桩、石灰土桩等非刚性材料的桩基础，也不能用于桩身长度范围内有连接层的异型刚性材料的桩基础。

1.2.4 对于混凝土嵌岩桩，由于此类桩的端部会嵌入基岩之中，低应变反射波法检测此类桩时，存在混凝土桩的桩身材料与基岩波阻抗相接近的情况，在设备采集的信号中会发现，时域曲线上的桩端反射信号不明显或无法识别桩底信号的情况，这时有经验的检测人员就会结合该处地质工程勘察资料和实测时域曲线来综合判断桩端的嵌固情况[1]。

2 数据采集设备及工具配件的要求

2.1 数据采集设备要求

低应变（瞬态）测桩的数据采集设备主要技术性能指标应满足《基桩动恻仪》JG/T3055中的相关规定。数据采集设备应具有信号显示、信号储存和信号处理分析的功能，同时还应该具备增益高低调节的功能和噪音低、频带宽的特点。

2.2 工具配件的要求

工具配件应包括能激发宽脉冲以及窄脉冲的力锤或力棒；力锤可以是黄铜或尼龙的材质；激振力的频率范围为10～20HZ。其性能评价的主要指标是设备的激振力和频率特性以及激振设备的稳定性等。加速度传感器目前使用最多的是国产和日本产品，由于其生产工艺及材料等各种参数略有不同的原因，检测人员在进行数据采集时，会发现高频响受到限制。动测时如果传感器的安装刚度较大可能会产生谐振，使加速度传感器的检测范围变窄从而导致检测效果不理想。目前，低应变（瞬态）测桩所使用的传感器主要是压电式加速度传感器，这类传感器的采集频率范围和输出特性均有较大的优势。

2.3 数据采集时如何选择激振工具

低应变（瞬态）测桩时所选用的激振工具应根据被检测基桩的桩身长度、被检桩的直径以及被检桩的桩型等因素来确定。当被检测的桩桩身长度较短或被检的桩身缺陷位置距桩头较近时，可以采用刚性大的铁锤或铜锤做激振设备，便可以满足检测信号采集的要求。若被检测的基桩是桩土阻尼较大的长桩或桩身直径较大的大直径桩，则被检桩的桩身深部缺陷或桩端底部的反射信号必然会大大减弱，在检测过程中遇到这种情况时一般采用数力棒做激振设备，这种力棒所产生的应力波具有能量大、脉冲宽、衰减小和反射强的特点，为正确的判别桩身的完整性和桩端部的质量状态提供良好的信号源。

3 现场检测的注意要点

3.1 桩头破除的注意要点

被检基桩顶面处理质量的好坏会直接影响采集信号的质量和对桩身完整性的判定，因此，要求被检桩的顶面混凝土的强度和桩身截面尺寸应与设计值基本相同。被检桩的桩顶浮浆处理效果是否满足要求，将直接影响到传感器的安装效果以及激振时所产生弹性波在桩顶部位的传播路径。因此在进行桩基检测前，必须把桩头部位清理干净且桩顶部位无积水，当被检桩的桩头埋置在周边水平面以下时，这时须要求施工单位把被检桩的桩头开挖出来并且外露的高度不少于10cm。所开挖的工作坑槽尺寸应能满足一位检测人员在坑内进行信号采集时所需要的工作空间[2]。

3.2 加速度传感器安装注意要点

加速度传感器应稳固地粘贴在桩头表面上，并进行试采。同时为了采集到较高质量的应力波信号，规范对加速度传感器的粘贴提出了具体要求，首先传感器的重量越轻越好，与桩顶表面混凝土的粘贴越近越好；其次传感器接触的刚度越大越好，这样所采集的应力波信号就越接近于质点振动信号。加速度传感器的粘贴以及耦合剂的选择就显得非常重要。

3.3 耦合剂的选择

耦合剂可以使用稠度高的黄油、橡皮泥、口香糖、凡士林和质地均匀的牙膏做耦合剂。经过大量的实践总结出各类耦合剂的优缺点如下：

当采用黄油做耦合剂时，在粘贴传感器时极容易弄脏检测人员的衣物和皮肤。检测工作结束后，留在检测部位的黄油对混凝土表面有污染须及时清除。并且携带时黄油不能和其他工具一同存放，以免黄油污染工具。但黄油也有其优点，黄油耐高温同时也耐低温，可以适应不同的温度环境。

当采用橡皮泥做耦合剂时，开盒后的橡皮泥容易风干变硬，橡皮泥不适合长期储存使用。通过我们多次的实践证明在粘贴加速度传感器时，施加在探头上的压力不同，激振后采集到的信号会有明显的差异，所以对安装传感器的人员操作技能要求较高，在此过程中检测人员按压传感器的力度尽量保持一致。但橡皮泥也有其自身的优势，它干净卫生方便携带。检测结束后，混凝土表面的橡皮泥很容易被清除。基于以上优点，橡皮泥广泛用于低应变反射波法检测基桩完整性中。

当采用口香糖做耦合剂时，口香糖体积小、质量轻、方便携带、购买便捷、易清除等优势被广泛使用，同时口香糖也有其缺点，使用前需把口香糖放入口中反复咀嚼后才能做耦合剂使用，如果检测数量大、持续时间长，那么检测人员将会很辛苦。

当采用凡士林做耦合剂时，是护手霜的原料之一，同时也广泛用于医学手术中。凡士林有其干净卫生、方便携带的优势，广泛运用于低应变反射波法检测基桩完整性中。同时凡士林做耦合剂也有其不足之处，当检测的工作环境温度较高时，把凡士林涂抹在被检桩的混凝土表面，凡士林会在很短的时间内液化，这时凡士林就失去了做耦合剂的作用[3]。

当采用质地均匀的牙膏做耦合剂时，牙膏携带便捷、随用随挤、易清除、牙膏的稠度受温度变化影响小等优势。经过我们多次现场实践证明，运用牙膏做耦合剂时，传感器与基桩混凝土表面的吸贴最紧。激振后采集的信号差异最小。对现场安装传感器的力度没有具体的要求。在传感器底部涂上牙膏，轻微用力按压在基桩混凝土表面即可。检测任务结束后，留在混凝土表面的牙膏容易清除。基于以上的优点，采用质地均匀的牙膏做耦合剂的方法应该大力推广。

3.4 桩身完整性的影响因素

3.4.1 不同地层地质的影响。如桩位在水田、鱼塘、螃蟹塘等位置时，在做基桩完整性检测时，要注意该地层位置的桩身出现缺陷的可能性，会比地质条件好的地层要高出很多。注意观察波形，设置好测试参数。当发现波形畸变时要结合地勘报告和施工日志来综合判断分析桩身的完整性。地质情况良好的桩位，基桩出现缺陷的概率要低于地质情况差的桩位。在地质情况良好的位置采集到的波形能够判断出缺陷时，要加密采样点，并结合施工日志。

3.4.2 桩身混凝土龄期。桩身混凝土龄期未达到检测标准，检测桩身完整会因混凝土的强度不够，影响检测结果。未达到混凝土强度要求的桩身混凝土和桩周地层有明显波阻抗，通过检测采集的波形不易判断桩身完整性。龄期过长的桩身混凝土会与桩周地层结合紧密，桩身混凝土的波阻抗和桩周地质结构没有明显的波阻抗差。这类桩身做完整性检测时，从所采集的波形中不易判断出桩身缺陷。并且桩底反射不明显或没有桩底反射，采集的波形图与端承桩的波形相似。

3.4.3 桩身长度。桩身长度过长，激振波在沿桩身传播过程中衰减幅度大，遇到缺陷时反射不明显并且难以从采集的波形中判断出桩底位置，此种情况即使从波形中判断出缺陷但缺陷位置也不易判断。如桩身过长并且桩身钢筋笼没有安装声测管时，可以采用随机抽样的方法，通过取芯或浅部开挖的方式检测桩身完整性[4]。

4 波形分析及结果处理注意事项

目前所采用的低应变（瞬态）测桩的方法来判别基桩的桩身完整性，主要是以分析采集的激振波时域波形为主、频域为辅的方法。分析时域波形的前提条件是采集到的波形中含有桩身以及桩端底部质量信息的响应，这样才能合理的判别出桩身的缺陷位置和缺陷类型。

在现场检测中，由于工程机械或工程车辆等多种干扰因素的存在，采集或分析时域信号通常要采用滤波和平滑处理的方法来找出其中的有效信息，而不恰当的滤波会导致波形中已有的缺陷漏判和波形畸变。当在信号采集过程中发现波形中时域信号一致性差或采集工作受干扰严重时，可以结合频域波形中相邻谐振的波峰所对应的频率差来进行缺陷类型的估判。

采用低应变（瞬态）测桩时，当检测过程中发现施工单位提供的桩长值与通过波形分析出的桩长值不一致时，须对被检桩进行复测。如果复测结果依然存在较大差异时，可以采用钻孔取芯的方法来验证检测结果。检测结果以钻芯取样的结果为准。

5 结束语

低应变（瞬态）测桩方法是基桩完整性检测的重要手段之一。检测前的各项准备工作，检测过程中各项检测程序细节的精心设计以及检测后的结果处理和对桩身质量的判定都是这项工作不可忽略的要点。本文对检桩过程中的各项工序注意事项和技术要点的经验总结，供基桩检测的技术人员参考。