低應變法在橋梁樁基檢測技術中的應用

文暢霆

摘要 在公路橋梁不斷投入使用的過程中，基樁作為橋梁結構的重要組成部分，其質量合格與否直接影響整個橋梁的結構安全。為了對橋梁樁基檢測技術進行研究，文章以某建設項目為檢測依托，對無損檢測低應變法技術進行研究。通過理論分析與檢測數據結果的研判，低應變法不僅方便高效地對橋梁基樁進行完整性檢測，也為橋梁基樁的完整性和整個工程的質量安全提供了有效保障，可為類似橋梁施工的基樁檢測提供參考。

關鍵詞 橋梁施工；樁基；低應變法；無損檢測；基樁檢測

中圖分類號 U445.551文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0043-04

0 引言

目前，在整個橋梁工程項目建設中，各有關部門及參建單位對橋梁基樁質量也予以了高度關注。同時，受橋梁基樁施工條件影響，在施工過程中極易出現質量缺陷，而這些缺陷也將直接導致樁基出現質量問題。總體來看，樁基工程相比上部工程的施工與質量檢測也更為復雜，對橋梁工程質量產生影響的威脅也更大。因此，加強橋梁樁基施工安全管理，提升橋梁樁基檢測力度，對于保證公路橋梁結構的穩定性非常重要。

1 橋梁樁基的概述及常見缺陷

橋梁樁基是橋梁工程的基礎形式，為了穩定承受橋梁荷載和外力作用，橋梁樁基將橋梁的支撐錨固于地下基礎。其主要用于壓實土壤、增加地基承載力、提高橋梁的穩定性和安全性。常見的樁基類型包括鉆孔灌注樁、鋼管樁和預應力樁等，具有施工方便、成本低、承載能力大等特點。橋梁樁基常見的缺陷如圖1所示：

2 低應變檢測技術

2.1 低應變檢測技術原理

低應變檢測技術是一種以應力波為基礎的檢測手段，其操作過程是先通過錘擊樁的頂部對結構表層施加力量，從而激發出應力波。此應力波在樁身內傳播時，一旦碰到不連續界面，例如蜂窩狀結構、夾泥、斷裂或孔洞等瑕疵，以及樁底面，都會產生反射波。這些反射波隨后被安置在樁頂的傳感器捕獲，再通過深入分析反射波的傳播時長、振幅以及波形特點，就可以對樁基的完整性進行科學評估。該方法測試快速、簡單方便，且具有無損的優點，目前已被廣泛應用[1-2]。

2.2 低應變檢測適用范圍

低應變檢測方法特別適合于評估混凝土樁的樁身完整性。但在檢測過程中，由于樁側土的摩阻力、樁身材料阻尼和樁身截面距阻抗等因素影響，其能力和幅值都將在應力波傳遞過程中逐漸衰減，其能量往往在應力波尚未傳遞至樁底就已完全衰減，導致接收不到樁底反射信號，從而無法判定整根樁的完整性。因此在工程實際檢測中，通常將樁長限制在5～50 m，樁徑限制在1.8 m以內。當然，樁長在50 m以上也有獲得樁底反射信號的情況，但由于橋梁樁基承載力要求高，大部分單柱單樁的低應變反射信號在50 m以上的樁基底部反射不明顯，故作以上限制[3]。

2.3 低應變檢測儀器選擇

《公路工程基樁檢測技術規程》（JTG/T 3512—2020）對低應變法檢測儀器的主要技術性能指標進行了明確規定，這些指標必須至少滿足當前實行的《基樁動測儀》（JG/T 3055—1999）中的2級標準。此外，該規程還集成了連續數據采集、迅速自動存儲、實時信號顯示以及信號分析處理等多項功能。

對于信號采集系統，有如下幾項基本要求：

（1）數據采集與處理器中的模/數（A/D）轉換器，其位數應至少達到16 bit。

（2）推薦的采樣時間間隔應在5～50 μs之間。

（3）單通道采樣點不宜少于1 024點。

（4）動態范圍宜大于60 dB，可調、線性度良好，其頻響范圍應滿足10～5 kHz。

目前，國內使用較廣泛的基樁動測儀器有：武漢中巖科技股份有限公司生產的RSM系列基樁動測儀、美國的PIT等。此儀器適用于低應變法檢測、高應變法檢測、剪切波測量、地脈動測量及其他工程振動測量等。

3 低應變現場檢測應用

3.1 試驗前準備

試驗前應預先準備好成樁工藝、樁徑、樁長、齡期、強度等資料。為了確保檢測數據的準確性，被檢查樁的混凝土強度應不低于其設計強度的70%且不應低于15 MPa，并且其使用壽命不應少于7 d。樁頭所使用的材料、強度以及截面的大小都應與樁身保持基本的一致性；樁的頂部應當平滑和緊密，并與樁的軸線保持垂直關系。同時，應預先對被檢測樁的樁頭進行處理，去除樁頭表面浮漿，對安裝傳感器和激振點的地方在打磨處理后進行測試[4]。

3.2 測試參數測定

（1）應變值：通過低應變測量儀器測定樣品在受力加載時的應變值。該參數可以反映樣品在受力時的變形程度，是評估樣品性能的重要指標。

（2）加載力：記錄加載在樣品上的力的大小。該參數可以了解在不同力作用下樣品的應變響應。

（3）彈性模量：通過測定應變值和加載力，可以計算出樣品的彈性模量。彈性模量是衡量材料剛度的物理量，對于評估材料的力學性能具有重要意義。

（4）泊松比：在某些情況下，還需要測定樣品的泊松比。泊松比是材料在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變的絕對值比值，是反映材料橫向變形的彈性常數。

3.3 傳感器安裝

傳感器的放置位置必須滿足相關的標準規定。測試的表面應當平滑，檢查的樁頭需要鑿到新鮮的混凝土表面，所有的測試點和激振點都應使用砂輪機進行磨平處理。在選擇激振點的位置時，應優先考慮樁的中心，而測量傳感器的最佳安裝位置在距離樁中心2/3半徑的地方；為了避免鋼筋籠主筋的干擾，應當規避激振點和測量傳感器的安裝位置。傳感器必須和樁基的光面緊密銜接，不能有縫隙，通常會在首檢面的表面涂抹黃油。

3.4 數據的采集與整理

檢測人員在做好測點布設后應立即開始數據測試，檢測完成后建立數據檔案，并定時對數據檔案進行更新，以保證數據的可靠性和有效性。

（1）根據樁徑大小，在樁心對稱布置2～4個測點；對混凝土灌注樁，當樁徑小于1 000 mm時，不宜少于2個測點；當樁徑大于等于1 000 mm時，應布置3～4個測點；測點宜以樁心為中心對稱布置。

（2）對于混凝土預制樁，當樁徑小于600 mm時，不宜少于2個測點；當樁徑大于等于600 mm時，不宜少于3個測點。

（3）每1個檢測點所記錄的有效信號數量不應少于3個，并且檢測的波形必須保持高度的一致性。

（4）對實測信號進行檢查，以確定其是否真實反映了樁身的完整性特點。

（5）實測信號不應出現失真或零漂現象，同時信號的幅度也不應超出測量系統的測量范圍。

（6）當檢測環境存在干擾時，宜采用信號疊加增強技術進行重復激振，以提高信噪比。當不同檢測點及多次實測時域信號的一致性較差時，應分析原因，排除人為和檢測儀器等干擾因素，重新檢測或增加檢測點數量。

3.5 檢測數據處理

在檢測獲得相關數據后，應對數據進行處理分析，最后判定基樁尤其是樁基是否存在缺陷及缺陷位置，以方便工程后續處理。為了提升評估的準確性，在進行評估時，應根據表格中列出的時域信號特征或幅頻信號特征進行全面的分析和評價。在此過程中，除了參考相關數據，還需要綜合考慮多個因素，包括缺陷的深度、測試信號的衰減特性、設計樁形、成樁工藝、地基條件以及施工情況等。

（1）確定聲速的平均數值。按照以下公式計算平均值：

式中，cm——樁身波速的平均值；ci——第i根受檢樁的樁身波速值，且|ci?cm|/cm不宜大于5%（m/s）；L——測點下樁長（m）；ΔT——速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差（ms）；Δf——幅頻曲線上樁底相鄰諧振峰間的頻差（Hz）；n——參加波速平均值計算的基樁數量（n≥5）。

（2）樁聲缺陷位置應按下列公式計算：

式中，x——樁身缺陷至傳感器安裝點的距離（m）；Δtx——速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差（ms）；Δf?——幅頻信號曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差（Hz）；c——受檢樁的樁身波速（m/s），無法確定時可用樁身波速的平均值替代。

通常情況下，Ⅰ類樁被視為完整的樁；Ⅱ類樁的樁身存在輕微的缺陷，但這并不會妨礙樁身結構承載能力的正常表現；Ⅲ類樁的樁身結構存在顯著不足，這對其承載能力產生了不良影響；Ⅳ類樁存在明顯缺點。關于樁身完整性的時域信號和幅頻信號特性，請參見表1所示：

4 低應變法檢測應用實例分析

貴陽市經開區某建設項目，總建筑面積4 857.2 m2，采用框架結構，地基基礎設計等級為丙級，基礎形式為獨立基礎與樁基礎，場地屬于建筑抗震一般地段。樁基礎按端承樁設計，直徑為1.2～1.8 m，樁長6.93～11.66 m，樁身混凝土強度等級為C30，施工工藝采用旋挖鉆灌注方式。

采用低應變反射波法對樁身完整性進行檢測，具體 檢測結果見表 2 所示。

選取 26#、27# 基樁，進行低應變分析如圖 2 所示。

該項目的端承樁共計檢測 7 根，依據《建筑基樁檢 測技術規范》（JGJ 106—2014），7 根基樁均評定為Ⅰ 類樁，詳細評定結果見表 3 所示。

低應變反射波法廣泛地運用于工程實踐中，并已列入國家標準。在樁基施工中，樁基礎檢測是一種行之有效的方法。然而，受施工、地質、檢測技術等諸多因素的影響，測試結果與理論曲線相比更為復雜，從而造成接收到的信號干擾大、波形復雜，使得基樁完整性等級判定困難。當前，雖然激發信號合理，但是在實際測試過程中，仍然會受到地層、樁頭以及樁身斷面等因素的影響。因此，如何有效地識別樁底反射或缺陷反射，是制約其推廣應用的重要因素。目前，在樁基數量較多的情況下，在小規模建筑物的樁基檢測中應用較多。

5 結語

在目前的工程建設中，基樁工程質量會對整個建設工程質量產生直接影響。樁基位于地下，具有較大的隱蔽性，施工難度大、影響因素多、施工過程中不可控因素多，容易產生質量隱患。因此，必須做好橋梁樁基的檢測及評定工作。利用低應變技術可以快速地對橋梁樁基質量進行檢測，但該技術目前也存在一定的局限性，希望能夠持續優化，可以更好地為工程建設服務。

參考文獻

[1]張付各， 陳小潔. 低應變法在橋梁樁基檢測技術中的應用[J]. 江西建材， 2016（19）： 141+148.

[2]龍惠冰， 易峰， 盧麗萍. 低應變法在樁基檢測中的應用探討[J]. 建材與裝飾， 2011（2）： 1-3.

[3]余報楚， 路靖， 吳俊. 基于低應變法樁身完整性的檢測與工程實例分析. 山西建筑， 2014（5）： 51-52.

[4]孫衛強. 低應變反射波法在橋梁樁基檢測中的應用[J]. 江西建材， 2012（2）： 198-199.