關于低應變（瞬態）測樁方法在基樁檢測應用中的探討

胡元秋

蘇交科集團股份有限公司 江蘇 南京 211112

引言

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

1 低應變（瞬態）測樁方法的原理及適用范圍

1.1 低應變（瞬態）測樁方法的原理

低應變（瞬態）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備激發彈性應力波從而產生激振信號，此種應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（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）和基樁底部的時候，此應力波將會產生反射波。由于基樁底部和樁身存在缺陷的位置處所產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、聲時和波形的特點，來綜合判斷基樁的樁身完整性。

1.2 低應變（瞬態）測樁方法的適用范圍

1.2.1 低應變（瞬態）測樁方法是目前國內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應力管樁、方樁、混凝土灌注樁等各種類型樁基礎的完整性。技術人員可以通過對實測應力波的頻域和時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合情況。

1.2.2 依據現有的一維彈性桿件波動的理論，樁身混凝土的強度值會遠遠高于樁身周圍地基土的強度值，當基樁頂部受到激振則會產生應力波，該波基本上是沿著樁周傳播的，當樁身某個截面位置存在缺陷時，應力波在此處的波阻抗則會發生比較大的改變，該截面處不僅會有入射波同時也會產生向上的反射波。如果波阻抗在樁身某個截面處表現為降低，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；如果儀器設備所采集到的波形則表現為相反的相位，則此處的缺陷為擴徑，所以，僅通過采集到波形的相位特點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，現有的分析軟件，依然難以給出可信度較高的信號分析結果，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合設計單位提供的地質勘探資料和施工過程中的技術資料，來對整個基樁的樁身存在缺陷類型和影響程度作出科學合理的判定。

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

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，低應變反射波法檢測此類樁時，存在混凝土樁的樁身材料與基巖波阻抗相接近的情況，在設備采集的信號中會發現，時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，這時有經驗的檢測人員就會結合該處地質工程勘察資料和實測時域曲線來綜合判斷樁端的嵌固情況[1]。

2 數據采集設備及工具配件的要求

2.1 數據采集設備要求

低應變（瞬態）測樁的數據采集設備主要技術性能指標應滿足《基樁動惻儀》JG/T3055中的相關規定。數據采集設備應具有信號顯示、信號儲存和信號處理分析的功能，同時還應該具備增益高低調節的功能和噪音低、頻帶寬的特點。

2.2 工具配件的要求

工具配件應包括能激發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；激振力的頻率范圍為10～20HZ。其性能評價的主要指標是設備的激振力和頻率特性以及激振設備的穩定性等。加速度傳感器目前使用最多的是國產和日本產品，由于其生產工藝及材料等各種參數略有不同的原因，檢測人員在進行數據采集時，會發現高頻響受到限制。動測時如果傳感器的安裝剛度較大可能會產生諧振，使加速度傳感器的檢測范圍變窄從而導致檢測效果不理想。目前，低應變（瞬態）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勢。

2.3 數據采集時如何選擇激振工具

低應變（瞬態）測樁時所選用的激振工具應根據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，可以采用剛性大的鐵錘或銅錘做激振設備，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一般采用數力棒做激振設備，這種力棒所產生的應力波具有能量大、脈沖寬、衰減小和反射強的特點，為正確的判別樁身的完整性和樁端部的質量狀態提供良好的信號源。

3 現場檢測的注意要點

3.1 樁頭破除的注意要點

被檢基樁頂面處理質量的好壞會直接影響采集信號的質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度和樁身截面尺寸應與設計值基本相同。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所產生彈性波在樁頂部位的傳播路徑。因此在進行樁基檢測前，必須把樁頭部位清理干凈且樁頂部位無積水，當被檢樁的樁頭埋置在周邊水平面以下時，這時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能滿足一位檢測人員在坑內進行信號采集時所需要的工作空間[2]。

3.2 加速度傳感器安裝注意要點

加速度傳感器應穩固地粘貼在樁頭表面上，并進行試采。同時為了采集到較高質量的應力波信號，規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，這樣所采集的應力波信號就越接近于質點振動信號。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、凡士林和質地均勻的牙膏做耦合劑。經過大量的實踐總結出各類耦合劑的優缺點如下：

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

當采用橡皮泥做耦合劑時，開盒后的橡皮泥容易風干變硬，橡皮泥不適合長期儲存使用。通過我們多次的實踐證明在粘貼加速度傳感器時，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勢，它干凈衛生方便攜帶。檢測結束后，混凝土表面的橡皮泥很容易被清除。基于以上優點，橡皮泥廣泛用于低應變反射波法檢測基樁完整性中。

當采用口香糖做耦合劑時，口香糖體積小、質量輕、方便攜帶、購買便捷、易清除等優勢被廣泛使用，同時口香糖也有其缺點，使用前需把口香糖放入口中反復咀嚼后才能做耦合劑使用，如果檢測數量大、持續時間長，那么檢測人員將會很辛苦。

當采用凡士林做耦合劑時，是護手霜的原料之一，同時也廣泛用于醫學手術中。凡士林有其干凈衛生、方便攜帶的優勢，廣泛運用于低應變反射波法檢測基樁完整性中。同時凡士林做耦合劑也有其不足之處，當檢測的工作環境溫度較高時，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間內液化，這時凡士林就失去了做耦合劑的作用[3]。

當采用質地均勻的牙膏做耦合劑時，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勢。經過我們多次現場實踐證明，運用牙膏做耦合劑時，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。檢測任務結束后，留在混凝土表面的牙膏容易清除。基于以上的優點，采用質地均勻的牙膏做耦合劑的方法應該大力推廣。

3.4 樁身完整性的影響因素

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

3.4.2 樁身混凝土齡期。樁身混凝土齡期未達到檢測標準，檢測樁身完整會因混凝土的強度不夠，影響檢測結果。未達到混凝土強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會與樁周地層結合緊密，樁身混凝土的波阻抗和樁周地質結構沒有明顯的波阻抗差。這類樁身做完整性檢測時，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，可以采用隨機抽樣的方法，通過取芯或淺部開挖的方式檢測樁身完整性[4]。

4 波形分析及結果處理注意事項

目前所采用的低應變（瞬態）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域波形為主、頻域為輔的方法。分析時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量信息的響應，這樣才能合理的判別出樁身的缺陷位置和缺陷類型。

在現場檢測中，由于工程機械或工程車輛等多種干擾因素的存在，采集或分析時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，而不恰當的濾波會導致波形中已有的缺陷漏判和波形畸變。當在信號采集過程中發現波形中時域信號一致性差或采集工作受干擾嚴重時，可以結合頻域波形中相鄰諧振的波峰所對應的頻率差來進行缺陷類型的估判。

采用低應變（瞬態）測樁時，當檢測過程中發現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，須對被檢樁進行復測。如果復測結果依然存在較大差異時，可以采用鉆孔取芯的方法來驗證檢測結果。檢測結果以鉆芯取樣的結果為準。

5 結束語

低應變（瞬態）測樁方法是基樁完整性檢測的重要手段之一。檢測前的各項準備工作，檢測過程中各項檢測程序細節的精心設計以及檢測后的結果處理和對樁身質量的判定都是這項工作不可忽略的要點。本文對檢樁過程中的各項工序注意事項和技術要點的經驗總結，供基樁檢測的技術人員參考。