对低应变反射波法在桩基检测中的应用分析

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1 前言 根据桩基的地下隐蔽的特性,属于难度较大的工程,无法采用简单、直观的方法对其质量进行检测,且受施工工艺等多方面影响,其质量较难保证。为保证桩基安全可靠,质量检验是十分必要的。目前,用于桩身质量完整性检测的方法主要有低应变反射波法、高应变法、声波透射法、静载试验和钻芯检测法等。从影响施工进度

和工程安全的角度考虑,如何快速、准确地检测桩基质量成为桩基行业内所关心的重要问题,工程实际需要推动了桩基检测技术的快速发展。低应变反射波法是在这种工程需要和技术发展的背景下发展起来的一种对桩身结构完整性进行评价的动测方法,具有操作简单、快速、经济而且能无破损检验桩身质量等多方面优点,是目前桩基质量检测规范首推的桩身完整性检测方法,在桩基检测当中得到了广泛的应用。

2 基本原理

低应变反射波法是假设桩为等截面的一维线弹性杆,顶端受激振力或其他振动形式的冲击后,冲击能量都以应力波的形式沿桩身传递,传递过程是以一维波动方程为数学模型。且杆件截面变形仍然保持平面,杆件变形与受力成正比,由振动理论基础得知,桩体纵向振动的微分方程为:

其中,u为桩身在z方向上的位移;C为应力波沿桩身的传播速度, , E 为材料弹性模量,ρ为介质密度。

其桩身波阻抗,纵波波速及缺陷位置的计算表达式分别为:

Z =ρCS (2)

C = 2 L / t (3)

L′= Ct′/ 2 (4)

其中,Z 为桩身波阻抗;S 为桩身横截面面积;L 为桩长;t 为桩底反射波双程旅行时间;L′为桩身缺陷位置;t′为缺陷处反射波双程旅行时间。

值得注意的是,波速由实测值决定,通常实测的波速是桩的平均波速,缺陷位置的波速一般大于平均波速,因此,确定缺陷位置时要适当考虑这一因素的影响。设桩在某截面处其阻抗发生变化,变化前后的阻抗分别为Z1 和Z2 ,可得:

其中,ur 为入射波位移;uα为反射波位移;α=Z2/Z1 。

由式(5)可知,在t=2L/C 时间内,当桩身阻抗由大变小时,α1,入射波与反射波反相;当桩身阻抗无变化时,α=1,反射波为零,即不存在反射现象。实测中,须根据实测桩身阻抗波形曲线变化情况,再结合式(2)判断桩身的缺陷性质。

3 数据采集

准确性和可靠性与准备工作的好坏直接相关。在低应变反射波法的数据采集过程中,应该注意以下几点: 1) 在测试前,应把桩头钢筋切割开,认真清理桩头浮浆及破碎部分,直到露出坚硬混凝土界面,使桩头密实,并尽量平整,至少应在成桩后8d~15d 方可检测。2) 对于实心桩,传感器安装点与锤击点的距离不宜少于桩径的1/4;当锤击点在桩顶中心时,传感器安装点与桩顶中心的距离为桩半径的2/3。对于空心桩,锤击点和传感器安装点宜在桩壁厚的1/2处,传感器安装点、锤击点与桩顶面圆心构成的平面夹角宜为90°。对发现信号异常或有明显缺陷的桩,应增加安装点和锤击点,以便取得可靠信号和消除干扰信号。传感器应与桩头结合牢靠。3) 一般来讲,激振能量与脉宽取决于激振工具的重量、外形尺寸、锤头材料及打击力度。作用时间越短促,其力脉冲时间越窄,所含的高频成分越丰富;反之作用时间越长,其能量将主要集中在低频范围。铁锤敲击桩顶激发的脉冲窄而尖,其激发频率相对较高,对于检测短桩及发现浅部缺陷有好处;尼龙锤或橡皮锤或木锤激发的脉冲宽而低,激发频率相对较低,对于发现深部缺陷及长桩桩底反射有好处。所以,在检测过程中应根据不同的目的选用不同材质、不同重量的锤击振。4) 采样时间间隔过大,轻微缺陷会被掩盖,桩底反射不明显;采样时间间隔过小,对缺陷的性质、量度不易识别,一般采样时间间隔宜为20~100μs。

4 数据处理

1) 滤波技术:目前在桩基检测数据处理中滤波技术应用最多,尤其是低通滤波。一般对于短桩、小直径桩采用的低通滤波值较高;而对于长桩、大直径桩采用的低通滤波值较低,这样可使桩身的响应曲线更为明显。

2) 曲线放大:目前在桩基检测放大技术中有 线性放大和指数放大两种手段。线性放大可使细小的缺陷明显,而指数放大则可使各反射面相对明显,各有千秋。线性放大对于缺陷定量化有好处,而指数放大有时会使曲线畸变。通常采用线性放大使不明显的反射线性增大,了解缺陷程度,应用指数放大来定性分析不明显的界面反射。 3) 缺陷处信号重复反射问题的识别:如果缺陷存在的部

位位于一半桩长以内,则会产生二次反射叠加于曲线上,对这个问题应当认真区分,否则会产生误判。一般来说,缺陷处重复反射的信号具有等时距的特点。如果存在反射界面等时距的现象,则就有重复反射的可能。

5 低应变测试应注意的事项

低应变反射波法进行桩基检测,首要问题是在测试过程中,获得真实的实测波形,因此,在实际过程中,检测人员应该注意以下几点:

5.1 收集足够的资料

“动测是一门诊断学”,首先对测试工地的有关资料进行全面收集和了解,包括工地的地质资料,查阅岩土的土工和力学指标;弄清土层的分布和走向,详细阅读地质报告,特别要了解在桩长度范围内各个地层的含水量、孔隙比、压缩模量、容量、内摩擦角、地基承载力及侧壁摩阻和端阻的建议值。

其次应查阅本工程的施工材料,详细了解桩的施工顺序,核准桩机型号、锤重、落距和贯入度。

第三了解混凝土的配合比,钢材的规格,钢筋笼的长度,水泥、骨料规格以及试块的抗压强度。

第四查阅打桩记录,特别应了解工地内打桩过程中曾出现过的故障和处理过程,并参阅试桩的充盈系数、塌落度和龄期等。

第五收集工地在施工过程中进行井径和沉渣测试的资料,以便分析桩的扩径和缩径与地层和施工的关系。

5.2 做好桩头处理工作

桩头未处理好的情况下,将使桩头混凝土振松、振裂,产生信号振荡,容易产生断桩的误判,因次在检测之前,应凿去浮浆和松散部分,暴露出新鲜、坚硬的混凝土,做好基本的桩头处理工作,避免日后不必要发生的问题。

6 结语

这种低应变反射波法是一门相对而言比较成熟的桩基检测方法,目前桩基检测中得到了广泛的应用,它具有操作简单、快速、经济而且能无破损检验桩身质量等多方面优点,

但是造成桩基缺陷的原因还是不可避免的,这也是由于施工条件和施工工艺等多方面的影响。就目前而言,低应变反射波法尚有一些技术问题存在,值得进一步探讨研究。

a.无法准确定性缺陷。单就测试曲线而言,所测得的桩顶反射波幅度受各种因素影响,缩颈、裂隙、离析的表现形式有可能完全相同,造成缺陷的具体性质无法正确判定,进一步确定缺陷的性质需要检测经验及其他补充资料。

b.参数的误差。已有的动测方法中,除了现场试验确定的参数外,还有一些需靠经验或已有动力与静力对比试验资料确定的参数,这些参数本身与实际均有一定出入。

参考文献:

[1] 文海霞,郑国勇.低应变反射波法桩基检测的试验研究[J].路基工程,2009 (2):137-138.

[2] 陈 凡,徐天平.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3] 祝龙根,刘利民.地基基础测试新技术[M].北京:机械工业出版社,2002.