支護樁低應變法檢測結果在不同影響因素下的分析及處理措施

余暉明

深圳市業昕工程檢測有限公司 廣東 深圳 518110

低應變法主要用于樁身完整性檢測，根據激振方式的不同，可分為反射波法、機械阻抗法、水電效應法、共振法和動力參數法等數種。目前在我國應用最廣泛的是低應變反射波法。反射波法具有多個優點，如設備簡單方便、方法快速、費用低、結果相對可靠等，該方法是普查基樁的樁身完整性的一種有效手段。由于低應變反射波法受樁身截面阻抗變化、樁周土約束、激振能量、激振脈沖寬度、樁身材料阻抗等因素影響，該法存在一定的局限性。低應變法常用于檢測支護樁的樁身完整性，本文通過大量工程實例及實測速度時程曲線，結合支護樁的特點、現場地質條件及施工工藝等因素，對支護樁低應變法檢測結果的判定上的局限性問題進行總結和分析，指出一些支護樁低應變法檢測結果誤判的問題，并提出一些支護樁檢測的技術建議及相關改進措施。

1 樁低應變法的發展及原理

1.1 樁低應變法的發展

低應變動測技術是以應力波理論為基礎發展起來的，它也是土動力學領域的重大課題。低應變反射波法最早起始于20世紀70年代初期，荷蘭建筑材料與結構研究所研制成了基樁檢測系統，用于檢測樁身結構完整性。在此之后，樁動測技術開始在許多國家進行推廣應用。同一時期，我國也從國外引進了該方法[1]。自20世紀80年代以來,機械阻抗法、水電效應法、反射波法等10余種方法相繼問世,并在各地紛紛進行試驗研究和應用。通過這些年的深入探索和研究，國內的多家巖土單位及設備制造廠商結合我國基樁的類型和特點，在樁的動測方法、測試技術、儀器設備等方面均有很大進步，極大的推動了我國低應變動測技術的發展和應用。其中低應變反射波法基樁檢測技術以方法可靠、方便、快捷和成本低等優點,得到了廣泛應用[2]。

1.2 低應變反射波法的檢測原理

反射波法的理論基礎是以一維線彈性桿件模型為依據，其基本原理是通過力錘或力棒在樁頂施加一個瞬態激振信號，產生垂直入射的應力波，該彈性應力波在沿樁身向下進行傳播，當遇到樁身波阻抗有變化的界面時，將產生反射波和透射波。在樁頂部接收到反射波信號，得到實測速度時程曲線，通過波動理論分析，對樁身完整性進行判定的方法。

2 支護樁低應變法影響因素分析

支護樁低應變法影響因素包括樁周土、樁長、樁身截面尺寸、樁身強度、樁身混凝土質量、成樁工藝等。本文結合工程實例對以上影響因素進行更為詳細的解析。

2.1 支護樁鋼筋籠的影響

支護樁鋼筋籠形狀對低應變檢測結果的影響，工程實例1：深圳市某1#基坑支護工程，本工程支護樁樁徑1400mm，樁長為9.2m，樁身混凝土強度為C30，波速初步設定為3900m/s。經檢測，分析檢測結果發現所檢測的支護樁樁長均少了1.5m左右。支護樁實測曲線見圖1，鋼筋籠形狀見圖2。

圖1 某1# 基坑支護工程的193#支護樁實測曲線

圖2 支護樁鋼筋籠圖

低應變法檢測后，對部分樁長相差較大的3根樁進行鉆芯法驗證檢測，發現樁長均達到設計樁長9.2m。經分析，該工程支護樁的鋼筋在距樁底1.5m左右開始收攏成錐形，下放鋼筋籠時，樁底部鋼筋籠外側可能存在掉落泥土，使得該區域混凝土灌注量相對較少，所成樁的截面尺寸在樁底以前就變小，產生縮頸，從而在樁底以前出現同相反射信號，而在樁底9m處無明顯樁底反射信號。

在對某些支護工程的支護樁進行檢測時，我們還發現有些鋼筋混凝土灌注樁并不是全鋼筋籠，可能在距樁底兩三米的范圍為無鋼筋籠的素混凝土樁。有鋼筋籠的部分和沒有鋼筋籠的部分樁身波阻抗是不同的，根據波阻抗公式Z=ρcA，因為有鋼筋籠的部分含有鋼筋，比無鋼筋籠的部分密度大，其樁身材料密度ρ和波速c就相對較大。無鋼筋籠部分相對于有鋼筋籠的部分，樁身波阻抗變小，產生同相反射。因為同相反射位置接近樁底部位，讓人誤判該處同相反射為樁底，從而導致樁長判定較短，產生樁長不足的問題。

處理措施：對于鋼筋籠影響低應變法完整性檢測的結果，我們可以采用鉆芯法進行驗證性檢測。而對于非全鋼筋籠的鋼筋混凝土灌注樁，我們可以采用預埋聲測管到樁底部，采用超聲波法檢測，也可以采用鉆芯法檢測。

2.2 支護樁旁止水帷幕的影響

止水帷幕的對支護樁低應變檢測結果的影響，工程實例2：深圳市某2#基坑支護工程，本工程支護樁樁徑1000mm，樁長為13.8m，樁身混凝土強度為C30,波速初步設定為3900m/s。經檢測，在分析6-6剖面的支護樁檢測結果時發現，此剖面所檢測的支護樁樁長均少了5m左右。支護樁實測曲線見圖3，支護樁所在剖面見圖4。

圖3 某2# 基坑支護工程的6-6剖面8#支護樁實測曲線

圖4 6-6支護剖面圖

檢測后，對6-6剖面低應變檢測出樁長相差較大的3根支護樁進行鉆芯法驗證檢測，發現樁長均滿足設計長度13.8m。同時該剖面的止水帷幕也進行了鉆芯法檢測，取出攪拌樁芯樣圖片見圖5。

圖5 6-6剖面24#攪拌樁芯樣

對攪拌樁按廣東省規范《建筑地基基礎檢測規范》（DBJ/T 15-60-2019）進行取樣，然后制樣加工成高徑比1：1的芯樣，根據水泥攪拌樁芯樣試件抗壓強度計算公式：

式中：fcu——芯樣試件抗壓強度（MPa），精確至0.1MPa；P——芯樣試件抗壓試驗測得的破壞荷載（N）；d——芯樣試件的平均直徑（mm）；ξ——芯樣試件抗壓強度換算系數，對混凝土芯樣取0.88，對水泥土攪拌樁、旋噴樁和水泥粉煤灰碎石樁芯樣宜取1，對巖石芯樣取1。

水泥攪拌樁（止水帷幕）經抗壓強度試驗后，計算得出本工程6-6剖面24#水泥攪拌樁的單孔芯樣試件抗壓強度代表值為12.8MPa，遠高于樁周土的強度。

結合以上情況分析，因低應變法檢測樁長與水泥攪拌樁的設計樁長基本一致，所以我們認為可能是水泥攪拌樁（止水帷幕）影響了低應變的檢測曲線，導致檢測樁長的誤判。我們知道除了樁身阻抗變化會影響低應變信號曲線以外，應力波在遇到樁周土阻力大小發生改變的界面時，也會產生土阻力反射波，尤其是在軟硬土層交界附近。受樁周土層的土阻力大小明顯改變的影響，應力波從軟土層進入到硬土層時（如粉質黏土層進入中風化孤石層），所采集的實測曲線在該界面將產生一個反相信號（類似擴徑），而樁周土從硬土層變化到軟土層（如硬塑粉質黏土進入淤泥層）時（見圖6），所采集的波形曲線在相應位置會產生一個同相信號（類似縮頸或缺陷）。如果不考慮樁周土對低應變實測曲線的影響，容易對樁的低應變結果產生誤判。本工程的水泥攪拌樁（止水帷幕）相當于硬化后的土層，從攪拌樁樁底到砂質粘性土土層，相當于硬土層進入到軟土層，從而產生類似樁底的同相反射信號，導致檢測人員對支護樁樁長產生誤判[3]。

圖6 穿過淤泥層的支護樁剖面圖

根據樁周土的土阻力變化對支護樁低應變檢測結果的影響，我們還可以推斷在一些工程的支護樁存在穿過硬夾層（中風化孤石），會產生反相信號，緊接一個同相反射信號，干擾支護樁實測速度曲線信號，無法準確判定樁身完整性和樁底反射信號。

綜上，為能更準確的對支護樁低應變的檢測結果進行分析和判斷，我們應當收集所檢測基坑工程的地勘資料及施工資料，了解項目土層的分布與走向。特別要了解支護樁周圍土層的變化以及各土層的主要物理性質指標及主要工程特性參數（如內摩擦角φ，粘聚力c，承載力特征值等）。為避免樁周土影響樁身完整性判定的準確性，可以采用鉆芯法驗證或者聲波透射法檢測支護樁的完整性。

2.3 支護樁護筒的影響

支護樁護筒的對支護樁低應變檢測結果的影響，工程實例3：深圳市某3#基坑支護工程，本工程支護樁樁徑1000mm，樁長為13.5-17.5m，樁身混凝土強度為C30，波速初步設定為3900m/s。因本工程支護樁需穿過砂土層和淤泥層，為防止旋挖灌注樁施工時出現塌孔，所以在樁施工時有下護筒，護筒直徑1200mm，護筒底深度距樁頂2m。經檢測，發現本工程支護樁在2m左右的位置均存在缺陷反射信號，導致本工程支護樁樁身完整性很多被判為II類甚至III類。支護樁實測曲線見圖7。

圖7 某3#基坑支護工程的支護樁低應變曲線圖

根據以上低應變檢測結果，我們可以發現以上支護樁在2m左右均存在缺陷同相反射信號，因護筒直徑為1200mm，深度為2m，護筒底部到樁頂區域的樁身截面尺寸大于護筒底部到樁底的樁身截面尺寸，根據樁身波阻抗公式Z=ρcA，在變截面處，A減小，波阻抗Z減小，樁頂測得實測時程曲線出現同相反射信號。檢測人員如果沒有深入了解本工程支護樁施工資料，容易導致對該位置的同相反射信號進行誤判，將支護樁的樁身完整性判為II類。而實際支護樁的樁身完整性為I類。

綜上，我們在進行低應變檢測時，應收集好受檢樁的詳細施工技術資料，結合施工的過程資料，綜合對支護樁樁身完整性進行判定。

2.4 支護樁施工工藝的影響

支護樁有多種施工工藝，目前大多工程項目采用旋挖灌注或沖孔灌注工藝，其中又以旋挖灌注較多。旋挖灌注樁在旋挖過程中，如遇到深厚的淤泥層或較松散的砂土層，在沒有護壁的情況，極易出現塌孔現象，以致對旋挖樁的成孔、成樁質量造成極大的隱患。砂土具有較大的內摩阻力而無粘結力，淤泥無任何強度，旋挖機在深厚或沙層中一成孔，立即會出現向孔內塌陷的現象，形成較大的擴孔，灌注混凝土的充盈系數較大，嚴重時導致無法成孔，甚至會造成地面沉陷，造成極大的安全隱患。

工程實例4：深圳市某4#基坑支護工程，本工程支護樁樁型為旋挖灌注樁，樁徑1000mm，樁長為13.8m，樁身混凝土強度為C30，波速初步設定為3900m/s。經檢測，發現該工程2-2剖面的支護樁低應變實測時程曲線大多在3~4m的位置出現反相反射，類似擴徑的信號。支護樁實測曲線見圖8，支護樁所在剖面見圖9。

圖8 某4#基坑支護工程支護樁低應變曲線圖

圖9 某4#基坑支護工程2-2剖面圖

根據以上低應變實測速度曲線，我們可以發現2-2剖面檢測的兩根樁在3~4m左右的位置出現反相反射信號，隨后出現一個同相反射信號，樁底反射不明顯，無法根據低應變實測曲線對此兩根樁的樁身完整性有一個準確的判定。根據地勘資料及施工技術資料，我們可以發現在樁底以下3m的位置有淤泥質粉質黏土及粗砂層，并且了解到在旋挖樁施工時未下鋼護筒，該地層區域范圍泥土可能出現向孔內塌陷的現象，形成較大的擴孔，導致灌注混凝土的充盈系數較大，該處樁身截面尺寸增大。根據樁身波阻抗公式Z=ρcA，樁身截面尺寸A增大，該處波阻抗Z增大，在實測速度曲線上相應位置出現反相反射信號，從而影響檢測人員對該支護樁樁身完整性的判定，無法給出準確的檢測結果。

綜上，支護樁在存在淤泥層或砂土層的工程施工時，應該采用鋼護筒護壁的方式穿過淤泥層或砂土層，確保樁身的截面尺寸不發生較大的變化而影響低應變的檢測結果。我們也可以采用預埋聲測管的方式來對支護樁進行聲波透射法檢測，有效避免樁身截面尺寸變化帶來的影響。

工程實例5：深圳市某5#基坑支護工程，本工程支護樁樁型為旋挖灌注樁，樁徑1200mm，施工單位所提供施工樁長為15.90m，樁身混凝土強度為C30，波速初步設定為3900m/s。經檢測，發現該工程部分支護樁的檢測樁長與施工樁長相差較大，最大的相差4~5m。支護樁實測曲線見圖10。

圖10 某5#基坑支護工程G19#樁低應變時程曲線圖

根據波形圖分析，本工程G19#樁檢測樁長為11.45 m，與施工樁長相差4.5 m左右。對該樁進行鉆芯法檢測，共鉆兩孔，其中1#孔偏出樁外鉆到鋼筋籠，G19鉆芯法芯樣照片見圖11。經鉆芯法驗證，根據鉆芯2#孔的芯樣圖片，我們可以發現G19#支護樁樁長滿足設計要求，跟施工樁長15.9m基本相符合，達到16.22 m。但根據1#孔的檢測結果，該孔在12 m處偏出樁外，已經鉆到G19#樁的縱向主筋，并且通過該孔芯樣圖片我們可以發現該樁的鋼筋籠靠樁外側有一半被泥土覆蓋，鋼筋籠的混凝土保護層在11.80 m左右缺失，也說明該樁在11.80m處左右樁身夾泥。樁身夾泥會在低應變反射信號曲線反應出同相反射信號，與G19#支護樁的低應變檢測結果基本相符。

圖11 某5#基坑支護工程G19#樁鉆芯法1孔及2孔芯樣圖片

根據對現場施工過程的了解，我們從監理單位得知一個情況，該施工單位在本工程旋挖灌注樁施工過程中，灌注混凝土時的拔管長度控制不準，底部混凝土還沒有澆筑好就大幅度抽拔導管，使得混凝土體沖刷孔壁，導致孔壁泥土下墜或坍落，我們分析可能是該因素導致樁身夾泥。因此施工單位在樁的施工過程中，現場作業人員要控制好灌注工藝和操作，在抽動灌注混凝土的導管時，應使混凝土面上升的力度適中，確保現場作業時的拔管和連續灌注是有序進行的，同時導管的升降幅度也不能太大。

2.5 支護樁低應變測試方法的影響

測試方法的影響因素包含現場樁頭處理、采樣頻率、傳感器的安裝、激振設備及敲擊能量等。而測試方法的影響因素往往又是現場檢測人員的技術水平和對規范熟悉認知的程度決定的。結合《建筑地基基礎檢測規范》（DBJ/T 15-60-2019）規范內容，我們可以得知以下內容。

受檢樁的樁頭處理應符合下列要求：應鑿除樁底浮漿、松散或破損部分，樁頂面宜平整、密實，并與樁軸線垂直；當預應力管樁的法蘭盤與樁身混凝土結合不緊密時，也應對樁頭進行處理；樁頭的材質、強度、截面尺寸應與樁身基本相同。當有墊層與樁頭澆筑成一體時，應確保墊層不影響低應變檢測的結果才能進行檢測。

現場低應變檢測時，我們應當根據樁長、樁身波速和頻域分辨率合理選擇采樣頻域（采樣時間間隔），采樣點數不宜少于1024點，時域信號記錄的時間長度應在2L/c（L為樁長，c為樁身波速）時刻后延續不少于5ms,頻域信號分析的頻率范圍上限不應小于2000Hz。采樣頻率越高，即采樣間隔時間越小，則時域信號精度越高，但頻域分辨率越低；反之，采樣頻率越低，即采樣間隔時間越大，則時域信號精度越低，但頻域分辨率越高。

為避免傳感器安裝位置不規范對檢測數據的影響，對于實心灌注樁的激振點宜選擇在樁頂中心位置，傳感器宜安裝在距樁中心約2/3半徑處，傳感器安裝點和激振錘擊點的距離不宜小于樁徑或矩形樁邊寬的四分一。需要說明的是，激振點與傳感器距離樁的主筋不宜小于50mm，避免鋼筋籠縱筋對檢測信號產生影響。對于實心樁的傳感器和激振點在樁頂面布置的原因是在敲擊過程中產生的應力波除向下傳播外，也沿樁頂面徑向向周邊傳播，從周邊反射回來的波與由樁中心向外擴散的波會發生疊加，根據實踐研究發現，初始波在2/3樁半徑處接收時所受到波的干擾最小。空心樁的激振點及加速度傳感器的安放位點應在同一水平面上，且宜選擇在樁壁厚的1/2處。傳感器安裝點、激振錘擊點與樁中心共三點所構成的平面夾角宜為90°。激振方向應與樁軸線平行，有利于抑制質點的橫向振動，且應避免二次沖擊，防止后續波的干擾。

傳感器安裝的好壞直接影響測試信號的質量，應根據氣溫高低等情況選擇合適的耦合劑。用耦合劑粘結加速度傳感器時，應具有足夠的粘結強度，確保傳感器能接收到高質量的反射信號。試驗表明，耦合劑較厚會降低傳感器的諧振頻率，產生低頻，影響反射波接收，從而丟失有效信號[4]。傳感器安裝越牢固則傳感器安裝諧振頻率越高，采用沖擊鉆打眼安裝可明顯提高安裝的諧振頻率。

反射波法現場測樁時，檢測公司應準備幾種不同重量的力棒或力錘、不同材質的錘頭，依據不同的檢測效果及目的選擇不同的激振設備。根據縱波的傳播特點，我們知道激振脈沖波的頻率越高，脈沖寬度窄，對樁身的缺陷分辨率越高，對樁的淺部缺陷反射越明顯，但是波沿樁身傳播的能量衰減快，不利于檢測出樁身深部缺陷及長樁的樁底反射信號。反之，激振脈沖波的頻率越低，脈沖寬度寬，對樁身淺部的缺陷識別率較低，但波沿樁身傳播的能量衰減慢，可以檢測出對長樁的樁底反射信號及深部的缺陷反射信號。因此對于長樁和深部缺陷的檢測，我們選擇錘的重量越大，直徑越大，墊層越軟，更利于激發能量高的低頻脈沖信號，從而可以檢測到長樁樁底反射及深部缺陷。對于短樁和淺部的缺陷，我們選擇錘的重量越小，直徑越小，墊層越硬，更利于激發高頻脈沖信號，不僅可以檢測到短樁的樁底反射信號，還可以檢測出樁身淺部缺陷。因此在對長樁的檢測時，我們應當選擇多種不同類型的激振錘進行樁身完整性的檢測，從而更為準確的判定樁身完整性[5]。

2.6 支護樁低應變數據處理分析的影響

現階段低應變實測速度信號處理主要有時域分析和頻域分析兩種處理方式。時域分析將樁假定為一維桿件，應用應力波理論，應力波的傳播速度假定不變進行分析。由于基樁檢測只能近似滿足一維應力波理論，實測波速受許多因素的影響，如樁身材料黏彈性作用導致的物理頻散；樁身幾何尺寸的影響，包括橫向尺寸導致的幾何頻散及樁上部的三維效應；土體阻力的影響等。導致我們對低應變的數據分析存在一定的誤差，如測試缺陷的位置及測試樁底位置的深度誤差。

檢測人員在分析所采集的實測波形曲線時，還應注意到淺部盲區問題，如果激振脈沖波頻率低，形成寬脈沖信號，由于激勵脈沖在實測時程曲線上有一定的寬度，如果在該寬度“盲區”內存在缺陷，則在脈沖寬度內，應力波遇到缺陷產生的上行同相反射波信號與能量較大的同相入射波疊加在一起，在樁頂面所接收到實測反射波曲線中很難識別樁身所存在的淺部缺陷。波形特征往往表現為有較寬的入射脈沖：波形在整體上呈大波浪形式，波形振蕩、幅值大，延續時間長。對此類波形應當予以重視，可以換輕錘或硬一點的錘頭進行敲擊，利用窄脈沖檢測出淺部缺陷信號。

處理數據時，我們應當合理應用指數放大和低通濾波對接受信號進行處理，其中低通濾波可以減少噪聲對信號的干擾，而通過指數放大可以提高在實測波形曲線中對樁中下部及樁底反射信號的識別能力。在分析過程中，指數放大以2~20倍，能識別到樁底反射信號為宜，過大的放大倍數將會把干擾信號也放大，可能會使實測反射波信號的尾部出現明顯不歸零的情況，影響樁身完整性的分析判斷[6]。

3 結語

低應變檢測樁身完整性，有著操作簡單、快速、經濟、對工程施工干擾小及可以查出樁身缺陷和嚴重的樁長不符等優點。使得該法在工程質量檢測中的應用越來越廣泛。但通過以上分析，低應變反射波法也存在一些局限性問題，如受到樁周土約束影響、無法識別多個缺陷、無法對缺陷進行定性和定量的分析、對波阻抗漸變類的缺陷難以判斷及對樁身縱向裂縫的識別能力較差等。這些局限都會對低應變檢測工作將產生不利影響。雖然低應變法有著很多影響因素和局限性，但是通過以上各種因素分析，只要我們收集好工程的樁施工資料、地質勘查資料，同時利用其他檢測方法如聲波透射法、鉆芯法進行綜合驗證檢測，有針對性地開展低應變檢測工作，采取有效的措施，并將理論和實際有效結合起來，就可以提高低應變檢測結果的質量和可信度。