關(guān)于低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁方法在基樁檢測應(yīng)用中的探討

胡元秋

蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇 南京 211112

引言

隨著新技術(shù)、新材料和新工藝的迅速發(fā)展，基樁完整性檢測方法也隨著知識經(jīng)濟(jì)和信息技術(shù)的到來發(fā)生了很大變化。有過去單一的有損檢測向無損檢測轉(zhuǎn)變。在科技不斷進(jìn)步的今天，建立一套行之有效的評價(jià)體系，對于正確有效的判定基樁完整性，提高經(jīng)濟(jì)效益有著十分重要的意義。

1 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁方法的原理及適用范圍

1.1 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁方法的原理

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁方法的原理：通過在基樁的樁頭部位以垂直的方向采用激振設(shè)備激發(fā)彈性應(yīng)力波從而產(chǎn)生激振信號，此種應(yīng)力波會沿著基樁的樁身方向向下傳播，此波在傳播的過程中，如果遇到樁身缺陷時(shí)（如樁身某處有夾泥、樁身某處有蜂窩、樁身某處有孔洞、樁身某處有斷裂等）和基樁底部的時(shí)候，此應(yīng)力波將會產(chǎn)生反射波。由于基樁底部和樁身存在缺陷的位置處所產(chǎn)生的波阻抗與正常完整沒有缺陷的樁身混凝土波阻抗存在著較大的差異，從而我們可以通過分析反射波的波幅、波速、聲時(shí)和波形的特點(diǎn)，來綜合判斷基樁的樁身完整性。

1.2 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁方法的適用范圍

1.2.1 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁方法是目前國內(nèi)和國外基樁樁身完整性的檢測方法中最為常見的檢測方式之一，廣泛運(yùn)用于橋梁工程、道路工程、房建工程中。使用該方法可以檢測出預(yù)應(yīng)力管樁、方樁、混凝土灌注樁等各種類型樁基礎(chǔ)的完整性。技術(shù)人員可以通過對實(shí)測應(yīng)力波的頻域和時(shí)域特征來分析和判定出被檢基樁的樁身完整情況、缺陷的位置及缺陷的影響程度、樁身底部與持力層的結(jié)合情況。

1.2.2 依據(jù)現(xiàn)有的一維彈性桿件波動的理論，樁身混凝土的強(qiáng)度值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樁身周圍地基土的強(qiáng)度值，當(dāng)基樁頂部受到激振則會產(chǎn)生應(yīng)力波，該波基本上是沿著樁周傳播的，當(dāng)樁身某個(gè)截面位置存在缺陷時(shí)，應(yīng)力波在此處的波阻抗則會發(fā)生比較大的改變，該截面處不僅會有入射波同時(shí)也會產(chǎn)生向上的反射波。如果波阻抗在樁身某個(gè)截面處表現(xiàn)為降低，并且采集到的波形為入射波與反射波相位同相。則此處樁身的缺陷為離析、夾泥、縮徑以及斷裂等；如果儀器設(shè)備所采集到的波形則表現(xiàn)為相反的相位，則此處的缺陷為擴(kuò)徑，所以，僅通過采集到波形的相位特點(diǎn)來分析判斷基樁樁身缺陷的具體類型是具有一定困難的。除此之外，現(xiàn)有的分析軟件，依然難以給出可信度較高的信號分析結(jié)果，目前的水平只能采用近似模擬的方法來分析基樁的完整性。在信號采集過程中還需要結(jié)合設(shè)計(jì)單位提供的地質(zhì)勘探資料和施工過程中的技術(shù)資料，來對整個(gè)基樁的樁身存在缺陷類型和影響程度作出科學(xué)合理的判定。

1.2.3 由于基樁的樁身反射信號復(fù)雜和樁底的反射信號不容易識別等原因，導(dǎo)致低應(yīng)變反射波法辦法不能應(yīng)用于水泥土樁、石灰土樁等非剛性材料的樁基礎(chǔ)，也不能用于樁身長度范圍內(nèi)有連接層的異型剛性材料的樁基礎(chǔ)。

1.2.4 對于混凝土嵌巖樁，由于此類樁的端部會嵌入基巖之中，低應(yīng)變反射波法檢測此類樁時(shí)，存在混凝土樁的樁身材料與基巖波阻抗相接近的情況，在設(shè)備采集的信號中會發(fā)現(xiàn)，時(shí)域曲線上的樁端反射信號不明顯或無法識別樁底信號的情況，這時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的檢測人員就會結(jié)合該處地質(zhì)工程勘察資料和實(shí)測時(shí)域曲線來綜合判斷樁端的嵌固情況[1]。

2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及工具配件的要求

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備要求

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)滿足《基樁動惻儀》JG/T3055中的相關(guān)規(guī)定。數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)具有信號顯示、信號儲存和信號處理分析的功能，同時(shí)還應(yīng)該具備增益高低調(diào)節(jié)的功能和噪音低、頻帶寬的特點(diǎn)。

2.2 工具配件的要求

工具配件應(yīng)包括能激發(fā)寬脈沖以及窄脈沖的力錘或力棒；力錘可以是黃銅或尼龍的材質(zhì)；激振力的頻率范圍為10～20HZ。其性能評價(jià)的主要指標(biāo)是設(shè)備的激振力和頻率特性以及激振設(shè)備的穩(wěn)定性等。加速度傳感器目前使用最多的是國產(chǎn)和日本產(chǎn)品，由于其生產(chǎn)工藝及材料等各種參數(shù)略有不同的原因，檢測人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，會發(fā)現(xiàn)高頻響受到限制。動測時(shí)如果傳感器的安裝剛度較大可能會產(chǎn)生諧振，使加速度傳感器的檢測范圍變窄從而導(dǎo)致檢測效果不理想。目前，低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁所使用的傳感器主要是壓電式加速度傳感器，這類傳感器的采集頻率范圍和輸出特性均有較大的優(yōu)勢。

2.3 數(shù)據(jù)采集時(shí)如何選擇激振工具

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁時(shí)所選用的激振工具應(yīng)根據(jù)被檢測基樁的樁身長度、被檢樁的直徑以及被檢樁的樁型等因素來確定。當(dāng)被檢測的樁樁身長度較短或被檢的樁身缺陷位置距樁頭較近時(shí)，可以采用剛性大的鐵錘或銅錘做激振設(shè)備，便可以滿足檢測信號采集的要求。若被檢測的基樁是樁土阻尼較大的長樁或樁身直徑較大的大直徑樁，則被檢樁的樁身深部缺陷或樁端底部的反射信號必然會大大減弱，在檢測過程中遇到這種情況時(shí)一般采用數(shù)力棒做激振設(shè)備，這種力棒所產(chǎn)生的應(yīng)力波具有能量大、脈沖寬、衰減小和反射強(qiáng)的特點(diǎn)，為正確的判別樁身的完整性和樁端部的質(zhì)量狀態(tài)提供良好的信號源。

3 現(xiàn)場檢測的注意要點(diǎn)

3.1 樁頭破除的注意要點(diǎn)

被檢基樁頂面處理質(zhì)量的好壞會直接影響采集信號的質(zhì)量和對樁身完整性的判定，因此，要求被檢樁的頂面混凝土的強(qiáng)度和樁身截面尺寸應(yīng)與設(shè)計(jì)值基本相同。被檢樁的樁頂浮漿處理效果是否滿足要求，將直接影響到傳感器的安裝效果以及激振時(shí)所產(chǎn)生彈性波在樁頂部位的傳播路徑。因此在進(jìn)行樁基檢測前，必須把樁頭部位清理干凈且樁頂部位無積水，當(dāng)被檢樁的樁頭埋置在周邊水平面以下時(shí)，這時(shí)須要求施工單位把被檢樁的樁頭開挖出來并且外露的高度不少于10cm。所開挖的工作坑槽尺寸應(yīng)能滿足一位檢測人員在坑內(nèi)進(jìn)行信號采集時(shí)所需要的工作空間[2]。

3.2 加速度傳感器安裝注意要點(diǎn)

加速度傳感器應(yīng)穩(wěn)固地粘貼在樁頭表面上，并進(jìn)行試采。同時(shí)為了采集到較高質(zhì)量的應(yīng)力波信號，規(guī)范對加速度傳感器的粘貼提出了具體要求，首先傳感器的重量越輕越好，與樁頂表面混凝土的粘貼越近越好；其次傳感器接觸的剛度越大越好，這樣所采集的應(yīng)力波信號就越接近于質(zhì)點(diǎn)振動信號。加速度傳感器的粘貼以及耦合劑的選擇就顯得非常重要。

3.3 耦合劑的選擇

耦合劑可以使用稠度高的黃油、橡皮泥、口香糖、凡士林和質(zhì)地均勻的牙膏做耦合劑。經(jīng)過大量的實(shí)踐總結(jié)出各類耦合劑的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

當(dāng)采用黃油做耦合劑時(shí)，在粘貼傳感器時(shí)極容易弄臟檢測人員的衣物和皮膚。檢測工作結(jié)束后，留在檢測部位的黃油對混凝土表面有污染須及時(shí)清除。并且攜帶時(shí)黃油不能和其他工具一同存放，以免黃油污染工具。但黃油也有其優(yōu)點(diǎn)，黃油耐高溫同時(shí)也耐低溫，可以適應(yīng)不同的溫度環(huán)境。

當(dāng)采用橡皮泥做耦合劑時(shí)，開盒后的橡皮泥容易風(fēng)干變硬，橡皮泥不適合長期儲存使用。通過我們多次的實(shí)踐證明在粘貼加速度傳感器時(shí)，施加在探頭上的壓力不同，激振后采集到的信號會有明顯的差異，所以對安裝傳感器的人員操作技能要求較高，在此過程中檢測人員按壓傳感器的力度盡量保持一致。但橡皮泥也有其自身的優(yōu)勢，它干凈衛(wèi)生方便攜帶。檢測結(jié)束后，混凝土表面的橡皮泥很容易被清除?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，橡皮泥廣泛用于低應(yīng)變反射波法檢測基樁完整性中。

當(dāng)采用口香糖做耦合劑時(shí)，口香糖體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶、購買便捷、易清除等優(yōu)勢被廣泛使用，同時(shí)口香糖也有其缺點(diǎn)，使用前需把口香糖放入口中反復(fù)咀嚼后才能做耦合劑使用，如果檢測數(shù)量大、持續(xù)時(shí)間長，那么檢測人員將會很辛苦。

當(dāng)采用凡士林做耦合劑時(shí)，是護(hù)手霜的原料之一，同時(shí)也廣泛用于醫(yī)學(xué)手術(shù)中。凡士林有其干凈衛(wèi)生、方便攜帶的優(yōu)勢，廣泛運(yùn)用于低應(yīng)變反射波法檢測基樁完整性中。同時(shí)凡士林做耦合劑也有其不足之處，當(dāng)檢測的工作環(huán)境溫度較高時(shí)，把凡士林涂抹在被檢樁的混凝土表面，凡士林會在很短的時(shí)間內(nèi)液化，這時(shí)凡士林就失去了做耦合劑的作用[3]。

當(dāng)采用質(zhì)地均勻的牙膏做耦合劑時(shí)，牙膏攜帶便捷、隨用隨擠、易清除、牙膏的稠度受溫度變化影響小等優(yōu)勢。經(jīng)過我們多次現(xiàn)場實(shí)踐證明，運(yùn)用牙膏做耦合劑時(shí)，傳感器與基樁混凝土表面的吸貼最緊。激振后采集的信號差異最小。對現(xiàn)場安裝傳感器的力度沒有具體的要求。在傳感器底部涂上牙膏，輕微用力按壓在基樁混凝土表面即可。檢測任務(wù)結(jié)束后，留在混凝土表面的牙膏容易清除?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，采用質(zhì)地均勻的牙膏做耦合劑的方法應(yīng)該大力推廣。

3.4 樁身完整性的影響因素

3.4.1 不同地層地質(zhì)的影響。如樁位在水田、魚塘、螃蟹塘等位置時(shí)，在做基樁完整性檢測時(shí)，要注意該地層位置的樁身出現(xiàn)缺陷的可能性，會比地質(zhì)條件好的地層要高出很多。注意觀察波形，設(shè)置好測試參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)波形畸變時(shí)要結(jié)合地勘報(bào)告和施工日志來綜合判斷分析樁身的完整性。地質(zhì)情況良好的樁位，基樁出現(xiàn)缺陷的概率要低于地質(zhì)情況差的樁位。在地質(zhì)情況良好的位置采集到的波形能夠判斷出缺陷時(shí)，要加密采樣點(diǎn)，并結(jié)合施工日志。

3.4.2 樁身混凝土齡期。樁身混凝土齡期未達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)，檢測樁身完整會因混凝土的強(qiáng)度不夠，影響檢測結(jié)果。未達(dá)到混凝土強(qiáng)度要求的樁身混凝土和樁周地層有明顯波阻抗，通過檢測采集的波形不易判斷樁身完整性。齡期過長的樁身混凝土?xí)c樁周地層結(jié)合緊密，樁身混凝土的波阻抗和樁周地質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有明顯的波阻抗差。這類樁身做完整性檢測時(shí)，從所采集的波形中不易判斷出樁身缺陷。并且樁底反射不明顯或沒有樁底反射，采集的波形圖與端承樁的波形相似。

3.4.3 樁身長度。樁身長度過長，激振波在沿樁身傳播過程中衰減幅度大，遇到缺陷時(shí)反射不明顯并且難以從采集的波形中判斷出樁底位置，此種情況即使從波形中判斷出缺陷但缺陷位置也不易判斷。如樁身過長并且樁身鋼筋籠沒有安裝聲測管時(shí)，可以采用隨機(jī)抽樣的方法，通過取芯或淺部開挖的方式檢測樁身完整性[4]。

4 波形分析及結(jié)果處理注意事項(xiàng)

目前所采用的低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁的方法來判別基樁的樁身完整性，主要是以分析采集的激振波時(shí)域波形為主、頻域?yàn)檩o的方法。分析時(shí)域波形的前提條件是采集到的波形中含有樁身以及樁端底部質(zhì)量信息的響應(yīng)，這樣才能合理的判別出樁身的缺陷位置和缺陷類型。

在現(xiàn)場檢測中，由于工程機(jī)械或工程車輛等多種干擾因素的存在，采集或分析時(shí)域信號通常要采用濾波和平滑處理的方法來找出其中的有效信息，而不恰當(dāng)?shù)臑V波會導(dǎo)致波形中已有的缺陷漏判和波形畸變。當(dāng)在信號采集過程中發(fā)現(xiàn)波形中時(shí)域信號一致性差或采集工作受干擾嚴(yán)重時(shí)，可以結(jié)合頻域波形中相鄰諧振的波峰所對應(yīng)的頻率差來進(jìn)行缺陷類型的估判。

采用低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁時(shí)，當(dāng)檢測過程中發(fā)現(xiàn)施工單位提供的樁長值與通過波形分析出的樁長值不一致時(shí)，須對被檢樁進(jìn)行復(fù)測。如果復(fù)測結(jié)果依然存在較大差異時(shí)，可以采用鉆孔取芯的方法來驗(yàn)證檢測結(jié)果。檢測結(jié)果以鉆芯取樣的結(jié)果為準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測樁方法是基樁完整性檢測的重要手段之一。檢測前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，檢測過程中各項(xiàng)檢測程序細(xì)節(jié)的精心設(shè)計(jì)以及檢測后的結(jié)果處理和對樁身質(zhì)量的判定都是這項(xiàng)工作不可忽略的要點(diǎn)。本文對檢樁過程中的各項(xiàng)工序注意事項(xiàng)和技術(shù)要點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，供基樁檢測的技術(shù)人員參考。