低应变法和声波透射法在桩基检测中的综合应用研究

0 引言

桩基础工程在施工过程中容易受到机械设备、地质环境、施工人员等因素影响，其工程质量直接影响到其上部主体的稳定和结构的安全。因此，对桩基础质量进行检测是有效排除工程安全隐患的重要保障。常见的桩基检测方法有声波透射法、低应变反射波法、高应变法和钻芯法。从桩基工程的安全性、可靠性来看，需要综合应用多种检测方法进行评价和印证，以提高检测质量，及时发现问题，减少工程隐患。

1 检测原理

1.1 低应变法

低应变法是基于一维波动理论，检测桩基时假定桩身为一维、均匀连续各向同性的弹性直杆件，且桩周土介质均匀，土介质对桩体的作用是沿桩身向的阻尼力作用。在检测桩基时，用手锤敲击桩顶，给桩一个脉冲力，这时桩身顶部会受到瞬态竖向激振而会产生竖向弹性应力波，应力波会沿桩身向下传播，这时若出现桩底虚土、断桩、沉渣或严重离析以及桩身截面积缩经或扩径时，便会出现明显波阻抗差异界面，产生反射波。通过滤波、数据处理，从而判断出桩身各部位反射信息，据此得出该桩身是否完整或缺陷，以及缺陷的位置及程度等（图1～3）。

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图1 低应变法检测桩基完整性示意

  

图2 无缺陷典型低应变法时域信号

  

图3 有缺陷典型低应变法时域信号

低应变法并不能检测到桩基的所有问题，例如，当被检测的桩身存在呈过渡性变化特点时便没有较为明显的界面变异，相关的缺陷信息便难以在低应变法测得的曲线中看出。此外，若被检测的桩周围土层或岩介质阻力太大，这时缺陷桩基本身发出的反射信号会被削弱或抵消，难以被检测出。

1.2 声波透射法

声波透射法检测细致准确，受桩径、桩长和场地等因素影响较小，但声波透射法只能定性确定完整性，难以定量，且需要预埋声测管，检测程序较为繁琐，成本也较高。此外，在实际检测时，由于相关保护措施不到位，容易造成声测管堵塞或倾斜，这些都极易造成检测数据值变异或不完整。

  

图4 无缺陷桩身声波透射法实测波形

  

图5 有缺陷桩身声波透射法实测波形

1.3 低应变法、声波透射法应用特点

（1）低应变法易受到外在条件影响，尤其是桩基所在的地质条件。在山区等桩身周边有强度较大的岩石时，当桩身长度短，长径比难以达到低应变法理论模型所需时，采取低应变法难以准确测得波形。这时，应辅之以声波透射法进行检测。

通过5年实施稻鸭共育，第3代稻飞虱、稻纵卷叶螟主要危害期(6月下旬)放养鸭田稻飞虱平均百丛虫量为516头，对照田平均百丛虫量为4 869头，平均防效为86.64%；放养鸭田稻纵卷叶螟成虫15.8头/亩，对照田平均117.3头/亩，平均防效为92.58%，稻鸭共育区平均百丛幼虫量69头，对照田虫量261头，平均防效为74.8%。

声波透射法是基于声波在被检测的桩基中传播过程中是否会出现透射、反射以及绕射等现象从而判断桩基是否完整或存在缺陷的一种方法。具体而言，当人工法发射出的超声波在没有缺陷、介质均匀的桩基中传播时波速正常，波形也完整，不会呈现出明显的畸变现象（图4）；当桩基内部存在断裂、离析、空洞、夹泥等缺陷时，超声波在有缺陷的桩基中传播时波形就会受到较大影响，缺陷与混凝土之间形成界面会改变超声波的传播状态（如出现反射、散射甚至绕射等情形），波形缺失或畸变，波速也会明显低于正常值（图5）。据此可以判断出桩基是否存在缺陷。

基于低应变法与声波透射法的上述特点，单一采取某种检测方法在桩基检测过程中都会存在一定的局限性，无法全面反映被检测桩基的实际情况。因此，在桩基完整性检测时可选择两种检测方法综合应用，发挥各自的优点。例如，对于直径大、桩身长的桩基应100%预埋声测管，做好声测管的保护措施，防止堵塞或倾斜。对于少数声测管堵塞或声波穿透检测出现异常情况时，选择低应变法进行复测，从而综合判断桩基完整性及等级。而对于直径小、桩身短的灌桩，可选择部分预埋声测管，以低应变法检测为主。低应变法与声波透射法综合应用能够从整体角度和细节角度对桩基工程质量进行评价。

2 工程实例

2.1 工程概况

(4)分级机分级效率与磨矿细度之间关系。分级机的分级效率越高，磨机产量和效率也越高；反之，出现过磨现象，导致磨机产量和效率降低，对后续工艺流程影响也很大。

某高速公路桥梁工程，桩基为钻孔灌注桩，桩基所承载的类型为摩擦桩，桩径为1 000 mm，桩长分别为20.0 m，21 m,基桩混凝土强度等级为C30。根据钻探和地质勘查调绘，桩长范围内土层介质分别为：①0～4 m 暖石；②3.5～6 m 粉土；③3.5～8 m 粉质粘土夹杂杂砂；④3～10 m粉质粘土；⑤9～13.5 m强风化片麻岩。经与业主、设计、施工、监理方共同确定，依据规范要求采用低应变法与声波透射法进行桩身质量抽样检测。2.2检测结果

对其中的3#号桩基按照检测规范采用了声波透射法和低应变法进行检测，结果如图6～7所示。

<*> USB ZC0301[P] Image Processor and Control Chip support

  

图6 桩基声波透射法声速-波幅-PSD曲线关系

  

图7 桩基低应变法测试波形

从图6可以看出，通过声波透射法检测3#桩基，其波形变化来看，基桩1-2、1-3、2-3三个桩基的剖面均在6.5～8 m深度范围内出现了桩基缺陷信号，当声波波速低于3 000 m/s、波幅、PSD指标都低于判断标准，说明该桩身存在较大缺陷。取桩基芯进一步验证发现，该处全断面裹夹着泥沙，导致桩基成为断桩，对比标准判定为Ⅳ类桩（表1），需要立刻采取工程处理。

（1）声波透射法

 

表1 低应变法桩身完整性判别标准

  

桩基分类 波形（信号）特征Ⅰ 桩身结构完整，桩底反射合理，实测波速在合理范围之内，桩底反射波到达前，无痛相反射。Ⅱ桩身结构基本完整，存在轻微缺陷，桩底反射基本合理，实测波速在合理范围之内，缺陷反射波幅值相对较弱。Ⅲ桩基完整性介于Ⅱ类和Ⅳ类之间，一般存在较为明显的缺陷，应采取钻心法或声波透射法等进一步判断或直接进行处理。Ⅳ 桩身结构存在严重缺陷，从其结构完整性来看该桩不能使用。

（2）低应变法

根据图7所示，采取低应变法检测桩基的波形变化来看，在7.6 m处出现了反射波，说明该处存在较为严重的缺陷，并有二次反射，桩底反射信号无法测得，因此，可以判定该桩身存在缺陷，需取芯作进一步验证。经开挖取芯验证，此桩在7.5 m处有约40 cm缩颈。

(1) 本裂缝病害实质为平推式滑坡，主滑方向与临空面走向小角度相交，滑动矢量方向具有运动合成特征，使得其成因机制显得更为复杂。病害的力学机制为滑移——拉裂，运动机制为滑移——翻转。

3 结论与展望

从检测原理分析看，低应变法针对的是桩基的完整性检测，通常是将激振点设置于桩中心，检测时，将传感器固定于距桩中心半径2/3处。低应变法检测是通过桩身阻抗变化情况来定性判断桩身是否在缺陷，以及缺陷的程度。对于存有缺陷的桩基缺陷方位、类型或缺陷范围大小则难以判断。此外，低应变法检测的结果常常受到检测技术人员的技术水平、桩长、桩径和场地条件的影响。低应变法测试简便，成本较低，检测的结果可靠，但受到外界因素的干扰较大，当被检测的桩基存在多个缺陷时难以有效判别。

（2）低应变法检测桩基对浅层缺陷十分敏感，而声波透射法则对声测管外围的缺陷难以检测出来。

（3）声波透射法易测得深度较深的桩基小缺陷，而低应变法无法测出。

（4）声波透射法检测桩基时，需要结合PSD、波幅等判别方法，不能依据某单一参数确定桩身是否完整，以防止出现误判。

（5）选择低应变法检测时，应预先做好桩顶整理，确保顶部没有浮浆或积水，把传感器或集振点的安放处要打破光滑，以减少外在因素对检测结果的干扰；在使用粘接剂固定传感器时，应尽力减少粘接剂使用量，以实现传感器不发生移动即可，防止因粘接剂过多使用而影响反射波信号，降低检测数据质量。

（6）选择多个检测点进行检测，有效波形要＞3个。

（7）预先分析桩基参数，基于分析结果来选择合适的力棒或手锤，从降低其他介质对检测结果的影响。

参考文献

[1]广东省建设工程质量安全监督检测总站.工程桩质量检测技术培训教材[M]北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]崔迪，聂鹏.低应变法与声波穿透法在桩基检测中的综合应用研究[J]建材与装饰，2015（11）：78-79.