淺談基樁低應變檢測的工作原理及局限性

陳濟敬

福建九鼎工程質量檢測有限公司

淺談基樁低應變檢測的工作原理及局限性

陳濟敬

福建九鼎工程質量檢測有限公司

低應變法是目前工程樁完整性檢測中最為常見和應用廣泛的檢測方式，本文介紹低應變檢測的規定與原理，分析因樁身或周土波阻抗差異而引起的反射波相位符號的相應變化的影響，并結合工程樁在實際檢測過程中遇到的一些情況，分析低應變檢測法的局限性。

低應變;一維波動理論;阻抗;反射波；局限性

1 樁基檢測的一般規定

樁身完整性檢測的數量的要求，根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）3.3.3規定：1、建筑樁基設計等級為甲級，或地質條件復雜、成樁質量可靠性較低的灌注樁工程，抽檢數量不應少于總樁數的30%，且不得少于20根；其他樁基工程，檢測數量不應少于總樁數的20%，且不得少于10根；2、每個柱下承臺檢測樁數不應少于1根。《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120－2012）4.4.10規定：砼灌注樁10%，不少于5根；《建筑地基檢測技術規程》（DBJ/T13-146-2012）12.1.2規定：復合地基豎向增強體10%，不少于10根，柱下承臺不少于1根。

根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）3.2.5規定：基樁檢測開始時間應符合規定：當采用低應變法或聲波透射法檢測時，受檢樁混凝土強度不應低于設計強度的70%，且不應該低于15MP。

灌注樁低應變檢測前，首先應保證檢測樁面為圖紙上的樁頂設計面標高，樁面保證干凈、無積水、平整、混凝土密實，其樁頭表面的松散、空洞部分應該鑿開，然后可采用砂輪機磨平并盡量使檢測面光滑。保證樁面與樁中心軸線基本垂直；預應力管樁低應變檢測前，如果樁頭法蘭盤與樁身混凝土之間結合緊密，不必處理，否則應將樁頭鋸平、清潔干凈。

為保證低應變檢測的準確性和規范性，檢測現場需提供有樁號的樁位平面圖，當樁基出現質量問題避免因樁號的不準確性而影響樁基工程的加固效果；需提供準確的樁長施工記錄、樁身混凝土設計強度、工程巖土地質報告與施工技術資料，從而對樁身完整性和缺陷程度才能更加全面的分析。

2 低應變檢測法的工作原理及局限性

反射波法檢測樁身質量時，設定的波速同混凝土關系是隨著強度等級越高其波速也越大。同一混凝土強度等級，波速也會有一定范圍的波動，波速與混凝土強度等級間的對應關系一般可按：C20（波速3200m/s）、C25（波速3600m/s）、C30～C35(波速3800m/s)、C40 及以上(波速 3800m/s以上)、C80PHC 管樁(波速4200m/s)，習慣上波速可以由本地區或類似的成樁施工工藝的實測值，也可結合同批次已確認的樁長反推波速的方法來綜合確認。

一維波動傳播理論是混凝土樁非破損檢測的理論依據與基礎，其理想模型為截面、材質連續均勻的彈性桿。低應變法是通過在樁頂產生一低能量的激蕩，從而根據一維波動理論對產生的速度曲線進行時程分析或速度導納曲線進行頻域分析，對樁身完整性進行分析、判定的檢測方法，從樁頂部沿著樁身產生向下傳播的彈性波，當彈性波遇到有差異的波阻抗時(Z=ρCA，其中波阻抗Z、密度ρ、波速c、截面積A)，將產生反射波。再對反射波的信息數據處理或放大，通過來自樁身不同部位的反射信息來推斷樁身的裂縫、斷樁、嚴重離析、縮徑或擴徑等部位。一般來說，對樁時域曲線分析時：當樁長范圍內某一位置顯示入射波與反射波的相位相同，該位置截面波阻抗為減小，通常表現為縮頸、離析、裂縫、甚至斷裂；當樁長范圍內某一位置顯示入射波與反射波的相位相反，該位置截面波阻抗為增加，通常表現為擴徑。但樁身具體為何種類型的缺陷，只通過其相位特征來判定有一定的局限性，還需結合工程實際情況。

工程樁按完整性的判定可分為四類：Ⅰ類樁、Ⅱ類樁、Ⅲ類樁、Ⅳ類樁，由于低應變檢測獲取信息不能對缺陷作定量判斷，故檢測人員在測試過程中需結合施工條件、工藝水平、工程設計圖紙、地質情況與周圍的環境等因素，判斷樁身完整性、分析樁身缺陷對工程樁的影響。如灌注樁在成樁過程中是否有地下水或流砂對其樁身迎水面的影響作用，地下室的土方開挖順序不當加上持續的大雨天氣導致軟土對樁身的側壓力、預制樁接樁處的焊縫飽滿度不足等。

《規程》規定樁的長細比及瞬態激勵脈沖有效高頻分量的波長與樁的橫向直徑或邊長之比均宜大于5，對類似于H型鋼樁的異型樁與薄壁鋼管樁，并不適用于低應變法。低應變法只判定樁身位置的缺陷嚴重程度，而對于缺陷類型（如離析、縮頸、夾泥、斷裂等）一般不做判定，遇到較深部位的缺陷及樁身縱向裂縫也不能給出其方位，有時測不到樁底反射信號，無法判定整根樁的完整性。應通過現場試驗，依據能否識別樁底反射信號，確定該方法是否適用。

3 低應變檢測案例分析

當樁身完整時，僅存在唯一的反射界面,即樁底反射面，在條件較好的情況下，可以得到明顯的樁底反射波（其理論曲線如圖1、圖2所示）。

圖1 完整樁的時域曲線

圖2 完整樁的頻域曲線

根據反射波相位與樁身阻抗的關系式子VR=(Z1-Z2)*V1/（Z1+Z2），作為時域判斷的依據，當出現縮頸、離析、斷樁、嵌固不良情況下時，也就是說Z1＞Z2（阻抗減小）時，VR（反射波）與VI（入射波）同號（同相位），反之，擴徑、嵌固良好等就是反相位。對于嵌巖型的灌注樁：也可利用樁底反射波的速度符號是否與入射波的符號的一致來定性的判斷樁底打入持力層的堅硬程度與深度。當樁身阻抗大于樁底持力層土層的阻抗時，反射波與入射波符號同向（如圖3所示）；反之，若樁底巖土波阻抗大于樁身波阻抗時，樁底的反射波與入射波符號反向（如圖4所示）。

圖3 反射波與入射波符號同向

圖4 反射波與入射波符號反向

（1）工程樁中較接近一維波動理論的情況是，當樁身全部坐落在同一土層或波阻抗基本相似的不同土層時，則可直接根據檢測曲線異常來判定基樁的缺陷；(2)當樁身周土的波阻抗差異較大，相鄰土層界面處的波阻抗就可能干擾到基樁本身采集的信號，這種情況下的異常曲線就有多種可能的解釋，即可能是由于基樁本身的缺陷所致，也可能是由于基樁周圍的土層變化所致。所以對波形曲線的異常分析要借助工程地勘資料，了解樁周的土層分布，結合相似場地、樁型的檢測曲線來綜合分析比較；(3)對于摩擦型基樁，當樁周及樁底為普通填土層、黏土層、沙層等，由于樁身為混凝土其波阻抗要大于樁周及樁底的波阻抗，波阻抗差異明顯，樁底的反射型號也較為明顯；(4)對于嵌巖型基樁，當樁底持力層為與混凝土波阻抗差異較小或接近的巖層（如在砂巖、石灰巖、變質巖等)時，當樁底嵌固良好時，樁底反射不明顯，而當樁底持力層為與混凝土波阻抗差異較大巖層(如較硬的花崗巖、玄武巖等)時，樁底反射較明顯。

通過基樁的某一截面的入射波和反射波的相位來推斷其阻抗的變化，從而判斷其截面是否存在缺陷，而對于存在嚴重缺陷的樁，通過實測時域波形曲線能發現某一部位有強烈的反射波，并且之后伴有幾次反射，此時樁底反射信號較難識別。當樁身材料不均勻或某截面形狀沿深度變化明顯的樁，當有缺陷時，時域波形和頻域波形曲線就比較復雜。

低應變對工程樁進行質量類型的判定有一定的局限性，所以要結合基礎及上部結構綜合考慮對樁身強度，樁的承載力及抗壓沉降的要求，分析由于樁身缺陷影響結構安全的可能，不宜單憑采集的測試信號來定論，有條件時甚至要及時與委托單位聯系使用多種檢測方法進行綜合判斷。

4 結語

低應變反射波法是目前國內外使用最廣泛的一種基樁無損檢測方法，由于其檢測便捷、效率高已廣泛采用，在低應變檢測中，我們需嚴格按低應變檢測要求，結合地質條件、成樁工藝、設計樁型綜合對樁身完整性分析、判定，不放過任何樁身缺陷。最后還需協助施工單位一起找出造成缺陷的原因，督促其改進施工技術工藝，防止同類型缺陷反復發生，以確保樁基工程的施工質量。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ106-2014建筑基樁檢測技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2014

[2]秋月.低應變反射波檢測方法簡介[J].河北交通,2014

[3]張宏，劉衍林.復雜地質條件對反射波法基樁檢測的干擾因素探析[J],橋梁建設,2001

[4]梁曦.低應變法培訓講義[R].福建省建筑科學研究院,2016