低應變法在樁基完整性檢測中的應用研究

李多權 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

1 引言

隨著我國建筑行業的飛速發展，越來越多的工程質量問題開始凸顯。樁基工程屬于隱蔽性工程，施工過程中流程復雜，對技術要求高，稍有不慎可能會出現斷裂、縮擴徑和混凝土離析等質量缺陷，進而對建筑物的上層結構安全性造成直接影響[1,2]。目前樁基的檢測主要分為承載力檢測和樁身完整性檢測。在承載力檢測方面，使用較廣的是靜載試驗法和高應變法；在樁身完整性檢測方面，目前使用最為簡單高效的方法為低應變法，其具備儀器便攜、判讀直觀和成本低等優點。但其結果的判別會受到特殊地質條件、施工工藝等的影響，影響判別的準確性[3]。鑒于此，本文從低應變法的檢測原理出發，分析了低應變法在工程中使用時的注意事項，最后結合工程案例來對其進行驗證和分析，希望能給從業人員提供借鑒。

2 低應變法的檢測原理

低應變法檢測原理是主要是基于彈性傳播理論，在進行樁基檢測時，假設樁身為連續彈性的一維均質桿件，錘擊樁基的樁頂位置，引起樁身質點的震動，應力波從樁頂向下傳播，當應力波在傳播過程中遇到阻礙發生變化時，該處即為樁基的缺陷界面。通常來說，應力波在樁身傳播時會發生透射和反射，帶動新的質點振動，反射波通過樁身再次傳遞到樁頂時，會被樁頂的傳感器接收，形成反射波形，通過分析反射波波形的參數可以推測出樁基缺陷的深度，根據其相位和幅值可以推測出樁基缺陷的類型[4]，示意圖如圖1所示。

圖1 低應變法檢測示意圖

3 低應變法檢測的局限性及注意事項

3.1 局限性

低應變法具備很多優點，如儀器簡單便攜、花費小以及檢測結果可靠度高等，但其也有以下幾點局限性：

①其對缺陷的評價只能是定性的分析，不能對缺陷的大小進行定量分析；

②使用低應變進行樁基檢測工作時，要求獲取不同地質條件、樁型條件下的靜動對比系數，難度較大；

③樁基圍巖的存在會減弱樁基中反射信號的傳播，影響低應變法的檢測效果，當被檢測樁樁長大于50m，樁徑大于1.8m時，獲得的樁底反射信號較弱，容易引起誤判；

④對于嵌巖樁來說，由于樁底巖質與樁身混凝土阻抗類似，當反射波傳遞至樁底時會繼續向下傳播，直到衰減為零，從而造成無反射波形的情況。

3.2 注意事項

為了降低上述局限性給低應變檢測帶來的不利影響，在進行檢測工作之前，要做好以下幾方面的工作。

①處理檢測樁樁頭。在進行檢測前，要使用力棒在基樁樁頭進行激振，并在樁頭接受反饋的應力波信號，因樁頭表面混凝土的平整度和均勻性對檢測的結果影響很大，所以應對被檢測樁的樁頭進行處理，利用人工鑿去掉樁頭浮漿，保證樁頭部位的平整。

②確保基樁混凝土強度達到要求。使用低應變法進行檢測時，只有當混凝土的強度達到要求時才能確保檢測信號的有效和準確性。《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）[5]中明確規定受檢樁混凝土強度不應低于設計強度的70%且不應低于15MPa。因此在實際檢測之前，應確保混凝土的齡期達到要求。

③合理安裝傳感器。傳感器安裝的正確與否將會對檢測結果造成直接影響，安裝傳感器時應注意以下三點。首先，在安裝時應保證傳感器軸與樁身軸平行，否則容易使反射波和入射波產生夾角形成二維效應；其次，應使用黃油、牙膏、石膏等將傳感器和樁粘結在一起，保證樁頂與傳感器之間可以實現良好的耦合；最后，要注意避免其他干擾波對應力波的干擾，對于不同的樁型應按照規范布置測點和激振點。

4 工程案例

4.1 工程概況

某高層建筑為公寓樓，地上22層，地下2層，框架剪力墻結構。樁基采用預應力高強混凝土管樁PHC600AB130-10和PHC600AB130-12。為檢測樁基建造后的質量，采用低應變法進行測試。本次測試采用的儀器設備為武漢巖海工程技術開發公司研制的RS-1616K(S)型24位浮點樁基動測儀，使用的傳感器是朗斯測試技術有限公司的LC0154TA型內裝壓電加速度傳感器，用安裝在樁頂的傳感器接收由力棒激振而在樁底及樁間反射的應力波信息，運用多通道數字濾波、指數放大、數字頻譜分析等高新技術，提高了測試信噪比，保證了測試結果的可靠性。

圖2 Ⅰ類樁典型曲線

圖3 Ⅱ類樁典型曲線

圖5 Ⅳ類樁典型曲線

4.2 測試結果分析

通過對實測曲線進行分析，可以將本工程樁身結構的完整性劃分為以下四類：Ⅰ類：樁身完整；Ⅱ類：樁身存在輕微缺陷，但不影響其結構承載力的正常發揮；Ⅲ類：樁身存在明顯缺陷，對其結構承載力有影響；Ⅳ類：樁身存在嚴重缺陷，需進行工程處理。該公寓樓經低應變法檢測的管樁共有566根，根據上述單樁樁身完整性判斷標準，Ⅰ類樁共有400根，Ⅱ類共有103根，Ⅲ類樁共有45根，Ⅳ類樁共有18根，圖2～圖5分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類樁的典型實測曲線，圖2樁身完整無缺陷，圖3樁身有輕微缺陷，圖4樁身存在明顯缺陷，圖5樁身存在嚴重缺陷。

5 結論和展望

隨著科學技術的不斷發展，低應變法檢測技術也在不斷改善和完善，使用低應變法來判斷樁身完整性前提的條件是樁身滿足連續彈性的一維均質桿件的條件，但在實際工程中，若考慮樁土作用，是不能將樁身這樣簡單假設的。為了解決理論與實際工程的不對應，未來關于低應變法的改進完善應從以下兩個方面出發。

①建立三維的樁土模型，用有限元的方法來解決樁土動力學問題或進行信號數值模擬[6]。研究應力波在三維模型中的傳遞規律，使得獲得的應力波理論更接近與實際工程情況。

②將小波理論和人工神經網絡理論運用于低應變的檢測中，小波理論可以表征信號的局部特征，對獲得的振動信號進行高效的分析。可以將小波信號作為人工神經網絡理論的前置處理手段，實現對樁身完整性類別和缺陷的自動分類，提高檢測工作的效率，減輕檢測人員的工作量。