基桩检测论文

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1、低应变反射波法在公路工程基桩检测中的应用檀署忠福建省交通建设工程质量安全监督局，福州 350001）摘要：本文介绍了基桩低应变反射波法检测的基本原理与理论基础，本方法的优缺点，以及检测时所要具备的现场条件与注意 事项，特别是结合生产实践通过工程应用实例对实测波形进行综合分析判断，重点阐述了低应反射波法在公路工程基桩完整性 检测中的应用。关键词：反射波法 基桩 检测 应用1前言 低应变反射波法是目前国内外广泛使用的一种基桩无破损检测方法，它具有设备一体化，操作简便，检 测快捷，对桩的施工没有任何额外要求，费用较低等优点，是普查基桩质量的一种有力手段，但它也有一定 的局限性，仅通过反射波相位特征来

2、判断桩身缺陷的具体类型有一定的困难。因此，本方法在应用中应结合 桩基类型、地质情况、施工工艺等信息进行综合判定。2基本原理与理论基础 低应变反射波法的基本原理是在桩顶进行竖向激振，弹性波沿桩身向下传播，在桩身阻抗存在明显变化 界面（如桩底、断桩或严重离析、缩径或扩径）的部位，将产生反射波，经接受、放大、滤波和数据处理， 可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，判断桩身完整性。低应变动测技术是以一维波动 理论为基础的。在具体应用时，将作出以下假定：（1）桩身是一根弹性杆件；（2）桩在纵向振动过程中，其 横截面始终保持平面，并忽略桩的纵向变形，即同一截面上的各点仅在桩的轴向作相等的位移

3、；（3）忽略了 桩身内、外阻尼和桩周表面的摩擦力的影响。基于上述假定，在外力作用下，桩轴向位移是纵向坐标 X 和时 间 T 两个变量的函数，可用一个二阶偏微分方程来描述：一维波动方程（1）的波动解为：(1)U（Xtt）=F（X-ct）+G（X+ct）（4）式中山一桩身轴向竝移卡c= J环.茎物理意义就是应力渡柱桩身中的传播速度*Eit身弹性棋嶽；P一桩身质量密度* 在应力波悴用下.桩身产生运渤，具质点的运动速度敢决于应力的大小和林性：Vpc式中;pc桩身林料的彼阻尊于材料的质塑密度卩和该速r的乘积。将（弟变换后乘以粧身面枳A可得下式： V =fA=Z 式中忆为桩身的截面力学阻抗其解由两部分组成

4、，分别代表两个行波，其传播速度为 c 而传播方向相反，在竖向的桩身中通常为上行 波和下行波。在波动分析中，约定桩身受力以受压力正，受拉为负；桩身运动以向下为正，向上为负。则有：对于下行彼 =砖对于上行液 V= -|-弹性波从一种介质传播到另一种阻抗不同的介质，传播方 向垂直于界面，当弹性波到达界面时，不论对于第一种介质还 是第二种介质，都会引起一个扰动，分别向两种介质中传播。 传回第一种介质的波为反射波（B ）,传入第二种介质的波叫透R射波（B ）,入射波记为B （见图1）。rI在界面S社由力平衡及趙度连续祭件得:F【+ Fr= FtVi + Vk=Vt 根据(4)有：ZtVj-ZjVHZjV

5、r与3联龙求解得:vwr广熬将（山）除以V仃得到:K = 互 _-卩幌A?Z）+ Zi piCiAj + P2C2A2 式中；K为反射系數； pClAj为桩身程广义遊取抗； 耳也为桩身缺陷和粧底岩土部分的广义披阻抗口由（12）可知，在桩顶要接受到反射波，必须满足KHO。对于完整桩来说，桩身中无波阻抗的差异，所 接受到的反射波基本上是桩底反射上来的；对缺陷桩，即有桩身缺陷部分的波阻抗p 2c2A2存在，K值可在 01 范围内变化。这样，就可以根据反射系数的正负来判断桩身缺陷的性质： K0时，反射波与入射波同相，若p 1c1=p 2c2，则A2A1,表明桩身缩径； K0时，反射波与入射波同相，若A

6、1=A2，则p 2c2p 1c1，表明桩身断裂，离晰或为桩底； KA1，表明桩身扩径；Kp 1c1，表明下界面强度大于上界面或嵌岩处 3检测系统反射波法用于桩基完整性检测的典型系统如图 1 所示，包括激振设备、传感器、放大器以及信号采集分 析仪。图 2 反射波法测试系统3.1 激振设备 应包括能激发宽脉冲和窄脉冲的力锤和锤垫，以获得反映桩身中的各种不同特性频率的反射信号3.2 传感器应选用宽频带高灵敏度的加速度传感器，灵敏度在1000pc/g左右，可测频率范围为O-lOOOHz，这种传 感器对于一般的基桩完整性检测都能用，但对于浅层缺陷的桩，频率响应范围就不够了，因此应选用灵敏度 低于1000

7、pc/g，可测频率范围为0-5000HZ频带更宽的传感器。3.3 放大器选用与传感器相适用的放大器，如果是压电式加速度传感器，则选用电荷放大器；如果选用应变式加速 度传感器，则放大器应选用动态应变仪。频带宽带宜为5-2000HZ,增益应大于80dB，动态范围应在40dB以 上。3.4 信号采集系统 在信号采集时，为了提高检测精度，应当提高采样频率，但由于仪器采样点数的限制，在选定采样周期时应注意，让时域波形能有一个完整的周期。4现场检测注意事项4.1 桩头桩头材质、强度（应大于设计强度的70%，且不得低于15Mpa）、截面尺寸应与桩身基本相同，表面应 平整、密实干净无积水，并与桩轴线基本垂直，

8、妨碍正常测试的桩顶主筋应割除。4.2 激励点与传感器的安装激励点位置应选择在桩中心，传感器安装宜为距桩中心 2/3半径处。传感器安装应与桩顶面垂直，用耦 合剂粘结时，应具有足够的粘结强度，严禁手持传感器进行检测。手持传感器，安装弹性大，安装刚度小， 谐振频率小，则传感器测出的振动不但有被测桩的振动，还有安装谐振，产生寄生振荡，容易采集到具有振 荡的波形曲线，对浅层缺陷反应不是很明显。4.3 激振设备选择 通过现场敲击试验，选择合适重量的力锤和锤垫，宜用宽脉冲获取桩底或下部缺陷反射信号，宜用窄脉冲获取桩身上部缺陷反射信号。当锤头质量较大或刚度较小时，冲击入射波脉冲较宽，以低频成分为主，当 冲击力

9、大小相同时，其能量较大，应力波衰减较慢，适合于获得长桩桩底信号或下部缺陷的识别。当锤头较 轻或刚度较大时，冲击入射波脉冲较窄，以高频成分为主，当冲击力大小相同时，虽其能量较小并加剧大直 径桩的尺寸效应影响，但较适宜桩身浅部缺陷的识别。4.4 信号采集和筛选要求 根据桩径大小，对称布置2-4个检测点，每个测点记录的有效信号数不宜少于3个。实测的信号要能反映桩身完整性特性，不应产生失真和零飘，幅值不应超过系统量程。不同测点及多次实测信号重复性要好， 否则应分析原因，增加测点数量。5信号处理分析5.1 数字滤波 数字滤波是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种计算方法，它分为高通与低通滤波。在实测

10、波形中，经常会出现高频干扰，对缺陷反射及桩底反射有较强的掩盖作用，因此选择合适的低通滤波参数进行 滤波处理是有必要的。5.2 指数放大 应力波沿桩身传播时，随传播距离的增加呈指数衰减。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。但是，指数放大的倍数不宜太大，过分放大会导致波形失真，甚至可能“制 造”出一个桩底反射。5.3 时域与频域互补分析 频域与时域分析的理论基础相同，求解方式和分析的侧重点不同，但分析结果一致。频域分析容易识别各种与桩土特征无关的干扰，但缺陷部位不够精确，缺陷性质不够明确，以及多个共振峰也不易识别。时域 分析对缺陷的性质、位置一目了然，计算准确

11、，但是各种干扰成分对其影响较大。因此，可以利用频域分析 判断干扰成分，为时域分析提供处理方案和参考缺陷，然后在时域分析中采用滤波等处理排除各种干扰，分 析缺陷位置、性状，两种分析结果必须对应，并用时域分析结果来指导解释频域中存在的各谐振峰。6工程应用实例分析6.1如图3,该桩为钻孔灌注桩，桩径1.5m,桩长25.0m,砼强度C25，设计持力层为中风化花岗岩，波速 3900m/s ,波形光滑，桩身无缺陷反射信号，桩底反相反射明显，该桩为I类桩。MA-MD：-6000 00LE25 00WS*3900I O：0 00iky HI：u”uu0 00PV-w w w0图36.2如图4,该桩为钻孔灌注桩

12、，桩径1.5m，桩长22.0m,砼强度C25,设计持力层为强风化花岗岩，波速 4000m/s，在6m处表现为缩径类反射信号，但未见明显二次反射，故为轻微缺陷，应判为II类桩。MA-MD：-9.000 00IE：u.uu22 00ws：XX.UU4000| O：0 00l-HI：0 00PV-0图46.3如图5,该桩为钻孔灌注桩，桩径1.5m，桩长10.0m,砼强度C25，在3.5m处出现反相反射，为扩径类 反射信号，根据该桩成孔地质资料，此处刚好进入弱风化岩，与在7m处出现的同相反射，时间为2倍关系, 故7m处为3.5m处的二次反射，并非缺陷。为求慎重，进行了取芯法验证，未发现缺陷，该桩应判为

13、I类桩。2: # 360246810 mMA-MD：-500o 00IE：u.uu1000WS-1 w w w3800|O-0 00HI：n nnPV-u.uu050Toe T1:Vel图56.4如图6,该桩为小直径灌注桩，桩径0.5m，桩长20.0m。在6.5m处出现第一次缺陷反射，在13m处出现 第二次缺陷反射，故该桩判为断桩，断桩的波形曲线存在明显的缺陷反射，桩底反射不明显或无底反射。根 据缺陷存在的位置不同，缺陷反射的次数也不同，缺陷在桩身上部，可出现二次或多次反射。缺陷在桩身下 部，只能出现一次反射。6.5。如图7,该桩为小直径灌注桩，桩径0.5m，桩长30m，在21m处，出现明显反

14、射，若将此处认为桩底,6.6 如图 8，对于嵌岩桩来讲，有可能在桩底之前出现入岩面反射，若将其判为桩底反射则波速过高，该桩 应判为I类桩。MA:-MD：-6.000 001匚：V * W19 52WS：1- Ox3700LO：O 00HI：KZ KZ KZ0 00PV-U” UU0图87结束语 反射波法检测时波形判读较为复杂；桩身上部的严重缺陷将掩盖桩身下部缺陷；若桩身存在多处缺陷时， 深部缺陷容易误判；对长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷，低应变反射波法无法正确测量；高 频信号传不下去，测试范围有限，低频信号分辨率不够；平均波速与混凝土强度之间的关系无法准确给出； 仅能测出波阻抗的相

15、对变化，可以区分缩径类与扩径类，也可计算缺陷位置，但却不能确定缺陷性质、方位； 缺陷程度的定量分析很难达到理想效果，尽管利用实测曲线拟合法分析能给出定量结果，但由于桩的尺寸效 应、测试系统的幅频相频响应、高频波的弥散、滤波等造成的实测波形畸变以及桩侧土阻尼、土阻力和桩身 阻尼的耦合影响，曲线拟合法还不能达到精确定量的程度。因此，对缺陷类型进行判定，应结合地质、施工 情况综合分析，或采取钻芯法进行补充验证。参考文献1应力波理论，王礼立，国防工业出版社，1985。2.建筑基桩检测技术规范(JGJ106-2003)。3公路基础工程试验检测技术手册，江苏省交通科学研究院。4.公路工程基桩动测技术规程(JGJ/TF81-01-2004),人民交通出版社。