低應變樁基檢測有關(guān)典型問題探討

王 剛 阜陽市建設工程質(zhì)量檢測站

1 前言

樁基礎(chǔ)施工環(huán)境復雜，如機械設備的運行性能、現(xiàn)場地質(zhì)條件、施工技術(shù)等均會對其造成影響，而樁基質(zhì)量又是上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的決定性因素之一。對此，以合理的方式做好樁基檢測工作具有必要性。現(xiàn)階段的樁基檢測方法類型豐富，如聲波透射法、低應變反射波發(fā)、鉆芯法等，考慮到樁基檢測結(jié)果精確性和結(jié)構(gòu)安全性等多方面要求，工程中常結(jié)合多種檢測方法，其優(yōu)勢在于各方法可相互驗證，更為準確地發(fā)現(xiàn)樁基質(zhì)量問題。

2 低應變應力波反射法原理

通過在樁頂施加激振信號產(chǎn)生應力波脈沖，該應力波沿樁身傳播過程中，遇到不連續(xù)界面（如蜂窩、夾泥、斷裂、空洞等）和樁底面時，將產(chǎn)生反射波，檢測反射波的傳播時間、幅值和波形特征，從而判斷樁身完整性。采用瞬態(tài)沖擊法，通過實測樁頂加速度或速度響應時域曲線，以一維波動理論分析來判定基樁的樁完整性。根據(jù)一維波動理論，樁身波阻抗Z由密度ρ、波速c、面積A 組成，即Z=ρcA。當ρ、c、A 三者任一發(fā)生變化時，從樁頭激發(fā)產(chǎn)生的彈性波在此阻抗面均產(chǎn)生反射波，依據(jù)樁頂傳感器接收到的反射波的相性及相位特征來對樁身的質(zhì)量進行判別。

3 低應變法無損檢測特征信號

低應變法的檢測原理是：當樁頂受到一定的瞬時沖擊力時，會產(chǎn)生一定的縱向振動的應力波。應力波會從樁頂一直延伸到樁身。當應力波不斷向下傳播時，不僅會阻礙應力波的傳播，而且在遇到變異波時還會引起一定的反射和傳播。當反射波傳遞到樁基礎(chǔ)的頂部時，樁基礎(chǔ)頂部的傳感器裝置能夠有效地接收反射波并獲得相應的動態(tài)波形。利用相關(guān)儀器可以有效采集和記錄反射波。通過對反射應力波特征信息的采集和分析，判斷樁基礎(chǔ)的質(zhì)量。在處理過程中，可以通過測試相關(guān)的基樁獲得不同的應力波曲線。用手錘適當確定樁頂?shù)南嚓P(guān)的位置（避免點激），產(chǎn)生一定的F（t）應力波，速度V向下傳播；當應力波通過一定的情況改變樁阻抗Z的界面時，如樁體斷裂或開裂，地面收縮，混凝土分離膨脹，雜質(zhì)被清除，應力波向上反射和向下傳播，但在樁底仍發(fā)生反射。當應力波傳播時，加速度傳感器會接收一定的信號，通過信號技術(shù)形成曲線或一定的頻域曲線。時域曲線可以對其不同的情況做出一定的判斷和處理，相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進行判斷。

4 低應變檢測幾種典型問題

4.1 壓入或打入預制樁檢測常遇到的問題

與其它樁體相比，壓入或打入預制樁有以下特點：①壓入或打入預制樁會導致樁側(cè)及樁尖土體壓密，樁側(cè)樁土相互作用加強，應力波衰減加快；②預制樁外表往往完整，但內(nèi)部仍有離析、蜂窩現(xiàn)象；③膠接良好樁，膠接處反射波一般較小；④膠接不良的樁，往往只能檢測出最先2 個膠接處的膠接情況，甚至只能檢測出第1個；⑤樁長徑比較大，當有多根樁膠接時，樁底反射難以檢測；⑥采用新型接頭的預制樁，其膠接處阻抗變化往往產(chǎn)生假缺陷信號。

4.2 瞬態(tài)激振設備選用問題

瞬態(tài)激振設備應通過現(xiàn)場試驗選擇不同材質(zhì)的錘頭或錘墊，以獲得低頻脈沖或高頻脈沖。錘頭軟硬、錘墊厚薄和錘質(zhì)量大小均能起到控制脈沖寬窄的作用。選用瞬態(tài)激振設備主要是為控制激勵脈沖的寬窄以獲得清晰的樁身阻抗變化的反射信號，又不產(chǎn)生明顯波形失真或高頻干擾；獲得較大的信號動態(tài)范圍而不超載。錘頭及錘體質(zhì)量選擇并不需要固定單一形式，可選用工程塑料、尼龍金屬材料、硬橡膠材料。本次能力驗證計劃使用的模型樁規(guī)格尺寸較工程樁小，更需要合理使用瞬態(tài)激振設備以獲得較好的反射信號。

4.2 離析、夾泥與縮徑反射波信號的區(qū)別

反射波信號與波阻抗變化程度、范圍及變化處波速有關(guān)，離析、夾泥和縮徑都會導致波阻抗減小，但離析、夾泥處波速要低于正常處波速，而縮徑處波速一般不會變化，這樣，小范圍離析、夾泥反射波特征會與較大范圍縮徑反射波特征相同。離析或夾泥會使整樁平均波速降低，而縮徑不會影響整樁平均波速，在實際樁基檢測中，若無準確的施工記錄，難以將離析、夾泥與縮徑區(qū)別開來。

4.3 樁頭處理問題

樁頂條件和樁頭處理好壞直接影響測試信號質(zhì)量。對低應變法而言，判斷樁身阻抗相對變化的基準是樁頭部位的阻抗。樁頂表面應平整干凈，確保多次反射信號的重復性較好。本次能力驗證計劃采用的細石預制模型樁，樁頭平整度較好，但仍存在一些細小孔洞，需在測試過程中盡量避開。

4.4 反射波法檢測帶平臺護坡樁完整性的局限性

用檢測單樁完整性的分析方法來分析帶平臺護坡樁完整性尚有一定的局限性，主要是由于：①平臺有一定厚度，在平臺上敲擊，應力波會在平臺體多次反射，甚至產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波，同時部分波向鄰近樁傳播；②護坡樁間距一般較小，樁-土-樁相互作用明顯；③鄰樁的波阻抗變化產(chǎn)生的反射波又會在平臺傳播，影響待測護坡樁檢測信號。

4.5 測試參數(shù)設定問題

對于低應變法用基樁動側(cè)儀，測試前應設置工程名稱、樁號、樁徑、樁長、波速等基本信息，并結(jié)合收集到的樁基工程資料酌情設置低通濾波、采樣頻率、儀器增益、曲線類型等參數(shù)，以獲得更準確的測試波形。本次能力驗證計劃在現(xiàn)場測試前已向各參加機構(gòu)發(fā)放作業(yè)指導書，提供本次模型樁的設計尺寸參數(shù)及計劃特點，并且各機構(gòu)測試的6 根樁中，有1 根是完整樁以便用于波速校準。在現(xiàn)場檢測過程中，依然有些機構(gòu)直接略過參數(shù)設置、對測試參數(shù)不進行合理調(diào)整或儀器提示參數(shù)設置不合理而參加人員不會調(diào)整等情況。

5 低應變法在樁基檢測中的應用

5.1 實驗準備

試驗開始時，相關(guān)人員應做好準備。首先，將實際的待測樁頭不斷地調(diào)整至規(guī)定標高。其目的主要是保證試樁的混凝土強度能夠滿足實際的設計要求。通常試驗建議保持在大于15MPa的范圍內(nèi)。同時保持樁頂面干凈整潔，并相應清除樁頂面浮渣和雜質(zhì)，保證混凝土表面得到充分的裸露。同時還應將樁頂外露的妨礙檢測的鋼筋進行切斷。確保在豎向狀態(tài)下，樁頂和樁軸的基礎(chǔ)確實牢固；在相關(guān)的預應力管樁低應變試驗前，如果樁頭凸緣與樁體混凝土緊密相連，則不需要進行第二次處理，否則將對樁頭進行清洗。

5.2 數(shù)據(jù)的解釋

根據(jù)野外采集數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，采用小波變換或者高通濾波等方法對波形進行濾波處理，去除干擾波，然后讀取反射波縱波的初至時間，將時間除以2 再乘以聲波的速率，即可推斷出現(xiàn)異常的位置。在實際工程中，波形的解釋十分復雜，由于樁的完整性可能存在著不止一個缺陷，周圍土體的邊界存在干擾等，造成波形的解釋十分困難，因此有必要對不同樁基缺陷的低應變波形進行解譯。

5.3 低應變法的技術(shù)要點

進行低壓試驗前，應預先處理實測樁的頂部，確保樁頂部無水，并在裂縫或凹凸處，以便預先應用混凝土，保證與混凝土底部良好連接。傳感器的設置點和位置應盡可能遠離主配筋，并應提前研磨以便于操作和安裝傳感器。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中，根據(jù)支撐直徑尺寸對稱排列多個測量點，因此每個測量點最多可收集三個測量點，必要時可收集多個測量值，觸發(fā)器的振動方向垂直向下，樁的主軸與傳感器安裝方向一致，傳感器連接接頭安裝在樁基上，常用耦合介質(zhì)是良好的固體材料，如Van Ryan、Butter等，振動技術(shù)選擇擺動式熨燙機。根據(jù)樁基礎(chǔ)的實際參數(shù)為材料選擇合適的質(zhì)量和力棒會產(chǎn)生合適的脈沖波，主要分為低帶寬脈沖和窄高頻脈沖。在錘頭振動工作時，需要根據(jù)實際情況控制振動能量，防止第二次沖擊，避免后續(xù)波干擾，并將波形干擾降至最低，而無需檢測樁頭的明顯反射。為了檢測樁帽的深層和表面缺陷，需要現(xiàn)場更換滑塊的振動位置或更換傳感器。

5.4 野外數(shù)據(jù)收集

首先，選擇要檢查的樁帽，刪除樁帽，然后顯示新的硬混凝土表面以滿足設計要求或行業(yè)要求。二是用合適耦合手段將消聲器連接到樁頂，連接并測試計算機和儀器，根據(jù)樁的選擇，起重機的觸發(fā)源不同，需要安裝一個小型測量桿和一個直徑較大的樁，錘數(shù)一定的公斤，以實現(xiàn)高能量和速度，保證音源的帶寬。第一種基于測試波形的現(xiàn)場解釋消除了構(gòu)造塊的有害影響，如機械設備故障、邊界條件等，在出現(xiàn)故障時必須消除并重新測試，并可重復進行，以避免出現(xiàn)故障或遺漏。

5.5 樁身缺陷位置計算

依據(jù)低應變法中時域信號或幅頻信號可計算樁身缺陷位置。因缺陷位置處速度波第一峰與缺陷反射波波峰見的時間差或幅頻信號缺陷上缺陷相鄰諧振峰間的頻差存在讀數(shù)誤差；波速確定方式及樁身波速平均值代替具體樁身段波速帶來的誤差；尺寸效應帶來的誤差等情況的存在導致本法確定的樁身缺陷位置有誤差。從本次能力驗證結(jié)果測試圖形及缺陷位置判定來看，這種誤差范圍控制較好，在10%內(nèi)。

6 結(jié)束語

總而言之，低電壓法提供了快速、無損和經(jīng)濟效益，因而是目前應用最廣泛的檢測樁完整性的方法。樁身完整性檢測是現(xiàn)階段土地工程的重要組成部分，影響建筑竣工后的安全性和質(zhì)量。樁完整性檢查是一種無損檢測手段，可提高施工效率，降低成本。本文介紹了低應變法樁完整性檢查的基本原則。其中包括基本數(shù)據(jù)采集、野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋和工程實現(xiàn)、收縮樁和直徑樁典型低壓特征的解釋，從而提高樁帽完整性檢查的準確性和可靠性，以及工程師。