橋梁樁基檢測技術低應變法的應用分析

劉明、黃凱

（貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

橋梁作為城市交通的重要節點，在交通中發揮著重要作用。但是，隨著橋梁的長期運行，橋梁的安全性和穩定性問題也逐漸凸顯，其中橋梁樁基作為承載和傳遞荷載的關鍵部分，其質量和完整性顯得尤為重要。而傳統的檢測方法，如取樣檢測和靜載試驗等，往往具有破壞性、耗時長以及檢測范圍有限等缺點，無法滿足日益增長的工程建設需求。在這一背景下，非破壞性檢測技術被提出，為橋梁樁基的質量評估和缺陷檢測提供了新的解決方案。其中，低應變法作為一種重要的檢測技術，具有高效、精準、無損等特點，逐漸成為橋梁樁基檢測領域的研究熱點[1]。

1 低應變法概述

低應變法（Low Strain Integrity Testing），又稱動態法或沖擊回波法，是一種廣泛用于橋梁、建筑物和其他結構中的非破壞性檢測方法[2]。它主要用于評估混凝土、鋼筋混凝土等材料中的缺陷情況。低應變法通過在樁頂施加沖擊或振動力，分析從樁頂向下傳播的動態應變波形，從而推斷樁基的連通性、完整性和質量。低應變法的原理基于應變波在材料內傳播的速度會受材料的彈性性質的影響。當樁頂受到沖擊或振動力作用時，將在樁中產生應變波，該應變波將向下傳播并在樁底和缺陷處產生反射波。傳感器放置在樁頂和樁底，用于記錄應變波的傳播時間和幅度。通過分析這些傳播時間和幅度的數據，可以計算出樁基中的波速，進而推斷樁基的完整性、質量和缺陷情況。如果樁基出現斷裂、空洞或蜂窩狀缺陷，應變波將在這些位置產生明顯的反射，從而可以快速檢測出問題區域；不同材料和質量的樁基將產生不同的應變波傳播速度和幅度，通過分析這些參數，可以推斷樁基的質量情況[3]。此外，低應變法還可以用于測量樁的長度，了解樁的嵌入深度。低應變法是一種非破壞性的方法，不會對樁基造成損害，適用于對使用中的結構進行檢測。同時，低應變法的設備相對簡單，操作便捷，可以在相對短的時間內完成測試，節省時間和成本。低應變法可以應用于各種類型的橋梁和建筑物，包括混凝土、鋼筋混凝土、鋼樁等類型，具有較廣泛的適用性[4]。

2 橋梁樁基檢測低應變法操作流程

2.1 設備選擇

在低應變法的檢測過程中，所涉及的設備包括動測儀、采集儀、激勵設備、傳感器設備以及專用附件等。其中，動測儀是整套設備的關鍵組成部分，包括信號采集、機電設備以及信號采集儀等多個功能設備。動測儀的核心功能是協調各項設備的協同工作，確保檢測的順利進行。激勵設備主要采用力錘，通過對樁頂部的錘擊作用，實現彈性波的傳輸，從而激發樁基的應變響應。傳感器設備和放大器等裝置則扮演著快速信號采集的角色，傳感器的作用在于提高信號的捕捉效率和準確性，而放大器則用于增強信號的幅度。信號采集儀負責將采集到的信號進行放大、分析、濾波以及輸出等處理，為工作人員提供準確的數據信息，以便于后續的分析和解讀[5]。

2.2 數據收集

在檢測過程中，需要確保傳感器與樁頂部位的充分接觸，消除可能出現的縫隙問題。一種常見的做法是在傳感器底部涂抹適量黃油，以確保傳感器與樁頂部緊密連接。在檢測環節中，首先對樁基礎結構進行編號，為每個結構建立專屬的數據檔案，并及時更新這些檔案。為了避免數據丟失的風險，務必進行數據備份，以確保每份數據都能保持完整。

2.3 處理數據

現場獲得各項數據和信號后，通過專用軟件進行詳細分析和處理。首先，對波形進行按比例放大，沿水平和垂直方向各放大2～30 倍，以確保波形放大后不會失真。在處理過程中，數字濾波法是至關重要的步驟，它能夠剔除采集數據中的無關或次要信息，從而實現對缺陷信號的準確分析，以達到有效的濾波效果。在檢測中，應用加速度計進行積分以獲得速度信號，然而，樁體結構阻力和傳感器的影響可能導致信號失真。有些位置的檢測區域受到較大阻礙，從而可能在波形中引起不準確的情況。為解決這個問題，需要按照要求對信號進行旋轉修正，以調整特定點位的線性數據信息，從而獲得更精確的結果。此外，為了抵消檢測受到多種干擾因素影響所產生的雜波，不影響檢測結果的準確性，采用多次采樣的方法進行處理，以獲得多個數據樣本，然后進行疊加平均，從而實現對數據的規律統計分析[6-7]。

2.4 判斷檢測結果

2.4.1 樁身波速確定

在完成波形分析后，對于樁底的反射信號情況需要進行詳細了解。在信號比較弱或者沒有明顯信號的情況下，存在放大指數過大的潛在問題。為此，必要時需要對數據尾部進行適當處理，以確保在同一屏幕上能夠清晰且準確地觀察樁底反射情況。這一步驟的目的是保證后續的混凝土波速計算能夠基于可靠的數據展開。在確認樁體長度和底部反射信號的清晰度之后，方可進行混凝土波速的計算，波速計算采用公式：

式（1）中：C 表示材料中的波速（Velocity），即超聲波在材料內傳播的速度；L 表示樁身缺陷的長度（Length）；T 表示超聲波傳播時間（Time），即從超聲波發射到接收所需的時間。

2.4.2 確定樁身缺陷位置

判斷樁身缺陷需采用公式：

式（2）中：L 表示樁身缺陷的長度（Length），單位：cm；T 表示超聲波傳播時間（Time），單位：μs，即從超聲波發射到接收所需的時間；X 表示超聲波傳播速度（Velocity），單位：m/s，指超聲波在材料中傳播的速度；C表示材料中缺陷的深度（Depth），單位：mm。

2.4.3 判斷樁身完整性

借鑒現有的實際工作經驗，深入分析反射波的特征，并將其質量劃分以下四類：第一類代表樁身完整無損；第二類代表樁身存在輕微缺陷；第三類代表樁身存在明顯缺陷；第四類代表樁身存在嚴重缺陷。每一類的判定標準詳見表1。

表1 樁身完整性判斷標準

3 工程實踐

在某立交橋的工程建設中，總計安排了18 根樁基礎結構，采用旋挖鉆機進行灌注樁的施工方式。在這18 根樁中，選取了9 根進行了低應變法的檢測，以確保其質量和穩定性。通過應用低應變法技術，成功獲得了所有9 根樁基底結構的清晰圖像和數據信息，為工程的安全和可靠性提供了有力的支持。在這項檢測工作中，得到詳細的檢測結果，具體數據見表2。

表2 混凝土強度與波速檢測結果

4 橋梁樁基低應變檢測要點

4.1 做好傳感器布設與激振控制

在傳感器的安裝過程中，必須確保安裝位置與樁頂保持垂直，以確保傳感器與樁頂的連接效果達到合格標準。為了保證連接的有效性，常常使用耦合劑、黃油等物質進行處理。通常情況下，激振點被設置在樁體結構的中心位置，測量傳感器與樁基礎中心的距離為2/3 半徑。然而，在一些工程中，采用了空心樁，因此需要將激振點和傳感器設置在同一水平面上，即樁體結構厚度的1/2 位置，且保持與樁體成90°的方向。在進行瞬態激振操作之前，需要進行簡單的檢測，通過敲擊的方式確保激振力錘和錘墊的重量符合要求。同時，需要通過聯合寬脈沖進行底部信號的檢測控制，對于樁體上部存在的缺陷信號，應使用窄脈沖獲取。在穩態激振作用過程中，必須按照規定的頻率進行穩態響應信號控制，并根據樁體的長度、直徑、周邊土體約束力狀態等因素進行合理的調整[8-9]。此外，在進行傳感器的安裝時，應與鋼筋籠主筋保持足夠的距離，通常超過50cm 為宜，以防止干擾信號的產生。在現場操作中，若激振力錘被安裝在基樁頂部，應迅速抓住落錘，以避免產生二次沖擊而對反射波獲取產生不利影響。

4.2 做好樁頭浮漿處理

浮漿在樁頂部的存在會顯著影響反射波的傳播，因此在進行檢測之前，必須采取鑿除等處理措施及時清理樁頂的浮漿[10]。在測點和激振點的位置，通常需要使用打磨機進行處理，以確保表面平整度達到要求，從而使傳感器能夠迅速而準確地接收混凝土表面信號，同時激振設備也能在混凝土表面上實現精確作用[11]。

4.3 做好突發情況的處理

在檢測過程中發現儀器損壞或傳感器故障等問題，應立即進行設備更換，隨后重新進行檢測操作[12-13]。儀器設備容易受到溫度、濕度、電磁振動、沖擊、電壓波動等因素的影響，如果這些因素導致檢測效果不符合標準，應立即暫停檢測，并在消除干擾性因素后再次進行[14]。在檢測過程中出現異常數據時，也應立即停止檢測，對異常數據的原因進行分析。如果異常數據是操作失誤、設備設置不當等原因造成的，應在處理相關問題后再次進行檢測[15]。

5 結語

總而言之，低應變法作為一種非破壞性檢測技術，為橋梁樁基的質量評估和缺陷檢測提供了一種高效、精準的方法。文中通過對應變波的傳播特性進行分析，可知它能夠快速發現樁基的問題區域，提前探知潛在的質量隱患，為保障橋梁的穩定性、安全性和可靠性提供科學依據。值得注意的是，雖然低應變法具有很多優勢，但在實際應用中仍然需要結合具體情況，充分考慮不同材料、不同樁基類型等因素，以確保檢測結果的準確性和可靠性。在日后進行橋梁樁基檢測時，還要不斷對低應變法進行研究，加強技術創新以及檢測數據的處理，保證橋梁樁基檢測的質量。