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桩基检测之低应变反射波法简析
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桩基检测之低应变反射波法简析 【摘要】本文针对某采用波法检测钻孔灌注桩工程质量的实例进行详细分析，阐述波法的基本理论及其作用和缺陷，实践证明该方法能较有效的对桩基进行检测。【关键词】 数据采集 常见缺陷 检测 1 低应变反射波法波法是以一维边界条件下的波动方程(公式(1))为理论基础，通过分析应力波在桩体(一维杆件)中传播、反射的时域曲线特征和频域曲线特征来确定桩身完整性的一种方法。 式中：c为波的传播速度；u(x，t)为质点的运动位移；E为弹性模量；ρ为密度。1．1 时域和频域分析在桩顶激振后，产生应力波，(压缩波)，应力波沿桩身传播遇到波阻抗变化界面时会产生反射波，和透射波 (见图1)，应力波在桩顶和波阻抗发生变化界面处(或桩底)传播、反射，形成桩一土系统的特征频率， 反射波的相位特征、频率特征、形态特征可以反映出波阻抗的变化特征(见式(2)～式(5))。 式中：A为截面积；Z为波阻抗；Rf为反射系数；△f为特征频率； α为桩一土阻力函数，0Z 时a一0，Z。>Z，时a≈ O．5。根据公式(3)可以把桩身混凝土的波阻抗变化特征归纳为以下三种类型：① Z1 ≈Z2，，即波阻抗无变化，Rf=0，应力波全部透射，不产生反射波。桩身混凝土结构均匀、完整、无缺陷且桩底基岩波阻抗与桩身混凝土波阻抗基本相同。② Z1 >Z2，，即反射界面下段波阻抗变小，Rf < 0，反射波与入射波同相，该类波阻抗变化特征主要对应于桩体内有缩径、离析、断裂、夹泥等缺陷。③ Z1 0，反射波与入射波反相，该类波阻抗变化对应于桩体存在扩径、桩底基岩强度大于桩身的现象。1.2 时域和频域波速计算应力波在桩顶和波阻抗反射界面之间传播；在频率、速度、距离上存在以下关系： 式中：C为桩身的一维应力波纵波波速(m／s)，简称波速；L为桩顶测点与反射界面的距离(m)；△ t为续至反射波峰值与初至入射波峰值的时刻差；△ f为幅值谱上桩顶和反射界面相邻峰值间的频率差，即桩的特征频率(Hz)。未完待续....
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:&400-900-8066福建湄洲湾电煤码头桥桩损伤检测
　　受损码头位于湄洲湾电厂内，码头桩体与承台曾遭受重船撞击，桩体上部外观出现了明显的开裂，水下部分是否破损尚不清楚。为了确保码头结构的安全，需要对桩体水下部分进行检测，对桩体上部损伤的程度进行评价，以便制定修复方案。
检测对象是外观出现明显撞击损伤的1号与2号桥桩，作为桩基地质结构背景的对比，增加3号与4号桥桩。桥桩位置与外观受损外情况分别见图1。
　　图1 检测桥桩位置与桥桩外观受损情况
检测方法与原理
　　检测对象是具有上部结构的桩体，目的是了解水下隐伏部分的受损情况以及上部损伤程度的评价。对桥桩水下部分的检测采用PST成桥桩检测技术，对桩体损伤程度的检测采用截面CT技术。PST仪器，可分别用于PST检测和CT检测。
　　PST检测原理
　　PST检测时在混凝土桩体中激发声波时，声波会沿桩身向上、下传播。当遇到桩体结构变化断面、损伤部位、桥基地质界面时发生反射。上部结构的反射波向下传播，称下行波；下部结构的反射波向上传播，称上行波。通过检波器串记录桩体中声波上、下传播的时-空特征，并对下行波与上行波进行有效地分离，根据波的走时与混凝土波速，对桩体波阻抗变化界面成像。通过分析排除结构截面变化与地层结构变化的影响，可确定桩体中的缺陷与损伤的部位、损伤的程度。据此对桩体的质量与损伤部位做出诊断。
　　截面CT检测原理
　　截面CT检测时，使用声波穿透桩体，通过测量声波的走时重建桩体内弹性波速的分布图像。弹性波速直接反应混凝土的弹性模量的大小，它是混凝土密实性和强度分布的定量指标。当桩体遭受撞击损伤时，产生宏观破裂与微观裂隙，损伤部位的波速随之降低。通过提取波速图像中低速异常的分布图像，确定混凝土结构的损伤程度。它具有分辨率高，可靠性好，图像直观等优点，可有效地解决桩体损伤的诊断问题。
　　PST检测布置
　　PST检测时，检波器电缆下部配重，上部固定，检波电缆靠近桩身。敲击点在检波器电缆上方，距第1个检波器距离0.1m。在完成第一个次敲击后，检波器电缆下移0.05m，敲击点不变，第2次敲击。两次记录合成，达到加密观测的目的。此次检测中，检测1号桩时，激发点距离码头平台底面1.5m，2、3、4号桩时激发点距离平台底面7.5m。
　　图2 PST检测布置示意图
　　截面CT检测布置
　　对2号桩损伤部位进行CT检测时，截面选择在宏观破裂的下方，距平台底面1.3m，桩体为方形断面，断面尺寸0.6m×0.6m。检波电缆长1.5m，沿桩身缠绕，围成一个水平平面。检测时将检波器布置在两个相邻侧面，激发点布置在相对侧面。检波器与敲击点的点距均0.1m。完成一次测量后将检波电缆按顺时针方向移动0.05m，重负敲击。将两次观测数据联合处理，测量间距加密成0.05m。
　　图3 体截面CT检测布置
　　检测结果和解释
　　本次检测完成4根桩体的PST成像和1个截面CT成像。现分类对检测结果作以分析。
　　PST桥桩检测结果
　　4棵桩的偏移图像列于图4，从左到右依次为1、2、3、4号桩。图像中坐标原点取在盖梁与桩的交界面，纵坐标是从原点算起的深度。图像中的红色线条表示波阻抗增大的界面，蓝色表示波阻抗减小的界面。线条横向的长度表示界面反射系数的大小。线条长表示反射强，界面两侧差异大，或反射面尺度大。
　　偏移图像中波阻抗变化的界面包含多种物理解释，结构缺陷、裂缝、桩身截面积变化、桩基础地层界面等。根据PST图像进行结构缺陷和损伤部位解释时，首先根据设计资料排除桩体结构变化的界面，再根据地质资料排除地层界面，除去这些界面之后，可解释为结构的损伤部位。本次检测中桩身的结构比较简单，桩之间没有系梁，下部结构的正常反射只有桩底和地层。虽然桩基础的地质资料不详，但可以通过比较相邻4根桩的偏移图像，推断出地质界面的位置。
　　图4 四根桩偏移图像的对比
　　根据上述解释原则，对图7中4根桩偏移图像的分析比对，并结合现场实际，对桩体截面变化部位、桩底与地层界面作出识别。
4幅偏移图像中最上部的红蓝条纹为桥桩上部盖梁的反应；
在深度大约30m处出现红、蓝强反射条纹，推断为桩底与基岩界面；
1号桩5-6.0m位置反射条纹对应桩体变截面处的反射；
在剔除了上诉界面之后，可以对桩体的撞击损伤部位做如下解释。
1号桩损伤部位
在1号桩变截面处的下方，存在3处明显的损伤破裂面，分别在9.5m、14.5m和21m处，其中最下方的损伤相对轻微。
2号桩损伤部位
2号桩1.5m处的位置存在一个较强的反射界面，这是桩头开裂破损处的反应。除此之外在水下21-25m的范围内存在一组很强的蓝色反射条纹，推断该处损伤比较严重，以至于桩底的反射信号被衰减殆尽，图像中未能出现桩底信号。
　　截面CT检测结果
　　2号桩体宏观破裂下方的截面CT的波速图像如图5。从该图像中可以清楚地看到，检测截面的波速总体分布不均，大部分区域波速在m/s范围内，混凝土的强度不高，推断混凝土标号为C40 左右。在截面内存在断续分布的线性低速条带，表明该截面位置的混凝土已经受到撞击的影响。
2号桩1.3m截面的波速CT图像
　　虽然从外观上还看不出截面CT的位置有宏观的破裂面，但是通过对CT图像低速异常的提取，清晰地发现界面内存在了大量的、规则排列的微裂隙带，见图6。这些微裂隙带的走向以北西—南东向为主，具有张裂隙的性质，说明桩体混凝土在撞击下已经产生了明显的结构损伤，该部位亦应加固。
波速CT图像中提取的微裂纹带分布
　　结论和建议
　　综合PST桥桩检测和截面CT检测的结果，可以得出如下结论：
　　1）1号桩在水下存在3处损伤。鉴于损伤部位多，分布范围大，建议采取钢筋混凝土整体加固措施。从6m处的变截面处开始向下一直加固到26m深处，加固截面扩宽到100cm×100cm为宜。也可以考虑补做新桩代替。
　　2）2号桥桩有两处损伤，桩体上部的损伤破裂严重，形成通裂。1.3m处的CT发现截面内存在微观裂隙带。建议分两段加固，上部加固段0-3m，下部20m到26m。采用钢筋混凝土将桩截面扩大到90cm×90cm。如果深部加固施工困难，可以考虑补做新桩。
　　3）建议施工后，选用CT技术对2号桩上部加固段进行复查，了解加固区的混凝土强度以及破裂面的灌注程度。论文发表、论文指导
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低应变法检测技术在钻孔灌注桩上的应用
　　前言 中国论文网 /2/view-427054.htm　　随着我国建筑事业的发展,各种大型结构物的修建也越来越多,相应的各种结构的基础采用桩基础的形式已十分普遍。桩基工程除因受岩土工程条件、基础与结构设计、桩土体系相互作用、施工以及专业技术水平和经验等关联因素的影响而具有复杂性外,桩的施工还具有高度的隐蔽性,发现质量问题难,事故处理更难。因此,桩基检测工作是整个桩基工程中不可缺少的环节,只有提高桩基检测工作的质量和检测评定结果的可靠性,才能真正地确保桩基工程的质量与安全。低应变检测桩身完整性的方法具有测试成本低、检测速度快及其适用性强等优点,在我国工程界桩基检测中得到了普遍应用。 　　低应变动测技术检测桩身完整性已应用多年,国内外许多专家对基桩完整性检测技术做了大量研究,并取得较为成熟的技术经验。桩基低应变无损检测的方法较多!主要有机械阻抗法、应力波反射法、动力参数法、声波透射法等。目前,较为常用的仪器设备有荷兰生产的TNO仪器、美国PDI生产的PTI低应变桩身完整性检测仪及我国生产的RSM-24FD浮点动测仪、武汉岩海公司生产的RS-1616KS低应变桩身完整性检测仪等。本文主要是从理论结合工程实例,对RS-1616KS低应变桩身完整性检测仪在三亚某工地孔灌注桩上运用的进行分析和判别。 　　1 低应变发射法测桩的基本原理 　　低应变动力测桩是采用低能量的瞬态或稳态激振,使桩在弹性范围内作低幅振动( 应变量约为10-5),利用振动和波动理论判断桩身缺陷。我国低应变动测桩法主要是应力波反射法,主要用来检测桩身完整性,检查钻孔灌注桩缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣,并核对桩长、推算砼强度。 　　低应变动力测桩的理论根据是一维波动方程。在具体应用时将作出如下假定: 　　①桩身是一根弹性杆件;②桩在纵向振动过程中,其横截面始终保持平面,并忽略桩的纵向变形,即同一截面上的各点仅在桩的轴向作相等的位移;③忽略了桩身内、外阻尼和桩周表面的摩擦力的影响。 　　基于上述假定,在外力作用下,桩轴向位移是纵向坐标X和时间T两个变量的函数,可用一个二阶偏微分方程来描述: 　　(1) 　　式中:u为桩身轴向位移;,其物理意义就是应力波在桩身中的传播速度,一般来说,混凝土中的波速为m/s;E为桩身弹性模量;ρ为桩身质量密度。 　　在应力波作用下,桩身产生运动,其质点的运动速度V取决于应力的大小和材料: 　　(2) 　　将(2)变换后乘以桩身面积A可得下式: 　　 (3) 　　式中:Z―桩身的截面力学阻抗 　　一维波动方程(1)的动力解为: 　　 (4) 　　设弹性波从一种介质传播到另一种不同的介质,传播方向垂直于界面,当弹性波到达界面时,不论对于第1种介质还是第2种介质,都会引起一个扰动,分别向两种介质传播。传回第1种介质的波为反射波(BR),传入第2种介质的波叫透射波(BT),入射波为BI,见图1。 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　在分界面处由力平衡及速度连续条件得: 　　F1+FR=F (5) 　　V1+VR=VT (6) 　　因此得:Z1V1-Z2VR=Z2VT (7) 　　K=Z1-Z2/Z1+Z2=(ρ1C1A1-ρ2C2A2)/(ρ1C1A1+ρ2C2A2) (8) 　　式中:K―反射系数;ρ1C1A1―桩身混凝土广义波阻抗;ρ2C2A2―桩身缺陷和桩底岩土部分的广义波阻抗; 　　由(8)可知,在桩顶要接收到反射波,必须满足K≠0。对于完整桩来说,桩身中无波阻抗的差异,所接收到的反射波基本上是桩底反射来的;对于缺陷桩,即有桩身缺陷部分的波阻抗ρ2C2A2存在,K值可在0~±1范围内变化。这样就可以根据反射系数的正负来判断桩身缺陷的性质: 　　①K>0时,反射波与入射波同相,若ρ1C1=ρ2C2,则A2　　②K>0时,反射波与入射波同相,若A1=A2,则ρ2C2<ρ1C1,表明桩身断裂、离析或断桩; 　　③Kρ1C1,表明下界面强度大于上界面或嵌岩; 　　④KA2,表明桩身扩径。 　　波速和桩长的计算: 　　应力波传播原理如图2所示: 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　由于反射信号的到时与产生反射的位置有关,在求得输入脉冲与反射脉冲的时间差后,在一定条件下可求得波速和桩长(或缺陷位置)。 　　①假设已知确切的桩长,如果桩底反射波明显,则可由反射波的到达时间计算波速: 　　C=2L/△T 　　②如果桩长不是已知的,为了求缺陷位置或实际桩长,可假设波速为m/s(对锤击,灌注桩取值应更小些),由反射波的到达时间计算反射位置,即:? 　　L=△T&#8226;C/2 　　2 现场检测 　　现场检测的首要工作是对桩头表面作预处理。在实际工作中,必须截去桩头的浮浆部分,直到得到较平整的新鲜混凝土质面为止。并用磨光机磨出符合规范的若干点, 以便安装加速度传感器或高阻尼速度传感器。桩头表面处理的好坏将直接影响测试数据的可靠性和准确性。加速度传感器用凡士林、黄油或橡皮泥等软粘性材料粘结在桩顶平整面上,然后用手锤敲打桩头不同位置,手锤敲打质量的好坏对信号采集起重要作用。对于多次敲击得到的接收信号,可在显示屏上进行编辑、选择、求平均,并重放显示。信号的迭加平均方法可突出桩身变化和桩周土效应产生的可重复性信号,并有效地抑制随机干扰。 　　3数据处理分析 　　通常情况下,是将RS-1616KS低应变桩身完整性检测仪采集器中的信号传送到计算机中,用武汉岩海公司提供的软件进行分析。如果对于提供桩长的钻孔灌注桩,发现波速明显偏高,则表明该桩断桩或桩偏短;如果波速明显偏低,则表面该桩强度不足或桩偏长。 　　应力反射波法目前也存在着很大的局限性。反射波法动力测桩,以其测点广、经济、快捷、无损等诸多优点,成为目前人们所公认的桩基质量检测的有效方法,但也存在着缺点和不足。在此对影响灌注桩缺陷反射的因素进行分析。 　　4 工程实例 　　三亚市某工地钻孔灌注桩设计桩身混凝土强度等级为C30,桩径1.2m~1.5m,桩长30m~40m,本次低应变法检测80根钻孔灌注桩中,Ⅰ类桩65根,Ⅱ类桩10根,Ⅲ类桩3根、Ⅳ类桩2根。 　　桩身完整性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个类别。其中Ⅰ类桩为桩身完整;Ⅱ类桩为桩身有轻微缺陷,不会影响桩身结构承载力的正常发挥;Ⅲ类桩为桩身有明显缺陷,对桩身结构承载力有影响;Ⅳ类桩为桩身存在严重缺陷。 　　下面结合三亚市某工地钻孔灌注桩的检测实例对若干问题分析如下: 　　① 完整桩 　　施工质量优良的完整桩的速度波形应光滑,有明显的桩底反射信号,波速正常,桩身混凝土平均波速较高。图3为三亚市某工地的钻孔灌注桩,桩径1.2m,桩长32m, 波速4120m/s,混凝土强度等级C30,为完整桩。 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 ② 缺陷桩 　　缺陷桩缺陷桩的波形曲线存在较明显的异常(见图4),实测曲线、波形特征是在桩身缺陷处产生与激振脉冲相同位的第一时间到达t反射时间较为明显,但整桩波速不会下降,与完整桩波较为一致。该桩桩径1.2m,桩长40.0m,在距桩顶约4.0m处表现为缩径缺陷。
　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 ③ 断桩 　　断桩的波形曲线存在明显的波峰,且桩底信号不明显(见图5),断桩实测曲线、波形与其它缺陷桩的波形不一样,因为断桩所在位置,应力波无法往下传播,主要是在断裂处空气的波阻抗无穷大于混凝土波阻抗, 而实测波形多次反射,反射时间间隔一致,并对反射信号就会自由震荡慢慢的衰减下去,故无法找出桩底反射,根据该工程桩身平均波速,求得该桩距桩顶约15.0m处断桩。 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　④ 护筒引起的桩缩径(假缺陷桩) 　　水中的钻孔灌注桩在施工时一般均采用护筒,有时护筒与混凝土浇筑在一起。测试时,在护筒底面处将产生缩颈类缺陷(见图6),该桩直径1.5m,从波形反映,该桩在3.0m存在缩径特征。后经查施工记录,该桩桩顶部分采用混凝土护筒,壁厚10cm,并与桩混凝土浇筑在一起,使桩顶部直径达到1.70m,故在护筒底表现为缩径。 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 5 结语 　　本文介绍的低应变检测方法适用于检测混凝土桩身的完整性,判定桩身缺陷程度及位置。在检测中首先要采集到可靠的检测数据,以便更准确、全面的反映桩身质量,以免造成误判: 　　①为了采集到可靠的检测数据:钻孔灌注桩桩头处理的好坏将直接影响到检测质量,因此桩头处理十分重要;加速度传感器的安装应牢固,粘结传感器所用的粘结材料应干湿适中,还应注意变换传感器的安装位置,以便能较全面的反映桩身质量,对于桩顶处理不够平整的钻孔灌注桩,这一点是非常重要的;锤击质量的好坏将严重影响到信号的采集质量,在检测中应重复几次锤击过程,并确信采集到的几次锤击信号相同时,才能储存这一信号,以免由于锤击质量不好而造成误判。 　　②、从桩底反射信号到计算桩长的精度取决于假设波速的准确程度,即使是现场浇注养护较好的混凝土,其波速值也常有5%的波动,因此计算桩长的误差也有±5%左右,判定缺陷位置也有5%的波动。 　　③一个反射波会产生二次、甚至三次的反射,比如说,某一根桩的阻抗与中间处发生变化(缩小),则可得到似乎是桩底处的反射波可能是缺陷(缩颈)处的二次反射。另外,由于桩身存在裂缝或存在机械接缝时,通常应力波难以通过这些裂缝缺陷往下继续传播,故无法探测到裂缝以下的其他缺陷。 　　④钻孔灌注桩经测试后若发现有严重缺陷存在时,应注意及时复测,并查阅施工记录和地质资料。有时会因为桩头处理不好,传感器安装不牢固等原因,使测试结果与实际不符,或由于地层和桩侧阻尼的影响而造成误判。 　　
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第1期(总第167期) 王吉生：高应变动力试验和低应变反射波法在引黄工程
No．1(TotalN0．167)
总干三级泵站GIS室基桩检测的应用
将产生弹性波反射，这就是桩身波阻抗发生变化所致，以接
受放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射
信息，据此计算桩身波速．以判断桩身完整性及估计砼强度
等级。还可以根据波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长
度加以核对。
对于完整桩，若已知桩长￡，用仪器测出南激发至反射
到桩顶的时间△r，就可得到弹性波桩间的传播速度y：
y=2L／△r，
当桩身有缺陷时，在桩底反射ffj现前，就会出现桩问反射
波，由激发至反射到桩顶的时间△r，就可计算出缺陷深度f。
f=y×△￡／2．
图2高应变动力检测试验示意图
式巾：V——桩身弹性波速度(m／s)；
③8t重锤、导向锤架及自动脱钩等。
△r——桩底反射时问(s)；
④奔腾Il型计算机及其相应的高应变处理软件。、
血——桩身缺陷反射时间(s)；
3．1．3检测过程
z——桩身缺陷深度(m)。
高应变动力试验检测过程为：
依据JGJ，193—95规范，根据时域波形，比较入射波下反
①对被测桩的桩头进行加强加固处理(如在桩顶部位放
射波到达时刻及其实测曲线的相位、频率及振幅等特征，进
置术质桩垫)。
行判断和计算，就可以对桩身的结构完整性作f}I定性的评
②在距桩顶1．0一1．5m处桩侧表面对称安装两组力和加
价。低应变反射波法检测试验原理见图3。
速度传感器，安装前将安装传感器处打磨平滑。
③用吊车将重锤架及重锤就位，将自动脱钩与重锤连接好。
④开启PDA检测仪，给定测试参数，调整传感器的平衡。
⑤准备工作就绪后，用吊车将重锤吊起至一定高度，拉
自动脱钩，使重锤自由滑落冲击桩顶。落锤高度控制在1．6～
2．5m之间。
⑥观测测试曲线．调整测试参数及落锤高度。重复上述
过程，直至测到的曲线完整且重复性好为止。每根桩的测试
次数控制在3～6锤之问。
图3低应变反射波法检测试验示意图
3．1．4执行规范
高应变动力试验执行规范为《基桩高应变动力检测规
规定，低应变检测桩身质量评定原则如下：
程》(JGJl06—97)。
3．2低应变反射波法
①完整桩。反射波波形规则，波速正常，桩底反射明鼎，
易于凑取反射波到达时间，桩体介质均匀，无缺陷存在。
3．2．1检测原理
②缺陷桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间；
基本原理是将钢筋砼桩视为一维弹性杆，当
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