關(guān)于低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁方法在基樁檢測(cè)應(yīng)用中的探討

胡元秋

蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇 南京 211112

引言

隨著新技術(shù)、新材料和新工藝的迅速發(fā)展，基樁完整性檢測(cè)方法也隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息技術(shù)的到來(lái)發(fā)生了很大變化。有過(guò)去單一的有損檢測(cè)向無(wú)損檢測(cè)轉(zhuǎn)變。在科技不斷進(jìn)步的今天，建立一套行之有效的評(píng)價(jià)體系，對(duì)于正確有效的判定基樁完整性，提高經(jīng)濟(jì)效益有著十分重要的意義。

1 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁方法的原理及適用范圍

1.1 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁方法的原理

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁方法的原理：通過(guò)在基樁的樁頭部位以垂直的方向采用激振設(shè)備激發(fā)彈性應(yīng)力波從而產(chǎn)生激振信號(hào)，此種應(yīng)力波會(huì)沿著基樁的樁身方向向下傳播，此波在傳播的過(guò)程中，如果遇到樁身缺陷時(shí)（如樁身某處有夾泥、樁身某處有蜂窩、樁身某處有孔洞、樁身某處有斷裂等）和基樁底部的時(shí)候，此應(yīng)力波將會(huì)產(chǎn)生反射波。由于基樁底部和樁身存在缺陷的位置處所產(chǎn)生的波阻抗與正常完整沒(méi)有缺陷的樁身混凝土波阻抗存在著較大的差異，從而我們可以通過(guò)分析反射波的波幅、波速、聲時(shí)和波形的特點(diǎn)，來(lái)綜合判斷基樁的樁身完整性。

1.2 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁方法的適用范圍

1.2.1 低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁方法是目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外基樁樁身完整性的檢測(cè)方法中最為常見(jiàn)的檢測(cè)方式之一，廣泛運(yùn)用于橋梁工程、道路工程、房建工程中。使用該方法可以檢測(cè)出預(yù)應(yīng)力管樁、方樁、混凝土灌注樁等各種類(lèi)型樁基礎(chǔ)的完整性。技術(shù)人員可以通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)應(yīng)力波的頻域和時(shí)域特征來(lái)分析和判定出被檢基樁的樁身完整情況、缺陷的位置及缺陷的影響程度、樁身底部與持力層的結(jié)合情況。

1.2.2 依據(jù)現(xiàn)有的一維彈性桿件波動(dòng)的理論，樁身混凝土的強(qiáng)度值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樁身周?chē)鼗恋膹?qiáng)度值，當(dāng)基樁頂部受到激振則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，該波基本上是沿著樁周傳播的，當(dāng)樁身某個(gè)截面位置存在缺陷時(shí)，應(yīng)力波在此處的波阻抗則會(huì)發(fā)生比較大的改變，該截面處不僅會(huì)有入射波同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生向上的反射波。如果波阻抗在樁身某個(gè)截面處表現(xiàn)為降低，并且采集到的波形為入射波與反射波相位同相。則此處樁身的缺陷為離析、夾泥、縮徑以及斷裂等；如果儀器設(shè)備所采集到的波形則表現(xiàn)為相反的相位，則此處的缺陷為擴(kuò)徑，所以，僅通過(guò)采集到波形的相位特點(diǎn)來(lái)分析判斷基樁樁身缺陷的具體類(lèi)型是具有一定困難的。除此之外，現(xiàn)有的分析軟件，依然難以給出可信度較高的信號(hào)分析結(jié)果，目前的水平只能采用近似模擬的方法來(lái)分析基樁的完整性。在信號(hào)采集過(guò)程中還需要結(jié)合設(shè)計(jì)單位提供的地質(zhì)勘探資料和施工過(guò)程中的技術(shù)資料，來(lái)對(duì)整個(gè)基樁的樁身存在缺陷類(lèi)型和影響程度作出科學(xué)合理的判定。

1.2.3 由于基樁的樁身反射信號(hào)復(fù)雜和樁底的反射信號(hào)不容易識(shí)別等原因，導(dǎo)致低應(yīng)變反射波法辦法不能應(yīng)用于水泥土樁、石灰土樁等非剛性材料的樁基礎(chǔ)，也不能用于樁身長(zhǎng)度范圍內(nèi)有連接層的異型剛性材料的樁基礎(chǔ)。

1.2.4 對(duì)于混凝土嵌巖樁，由于此類(lèi)樁的端部會(huì)嵌入基巖之中，低應(yīng)變反射波法檢測(cè)此類(lèi)樁時(shí)，存在混凝土樁的樁身材料與基巖波阻抗相接近的情況，在設(shè)備采集的信號(hào)中會(huì)發(fā)現(xiàn)，時(shí)域曲線上的樁端反射信號(hào)不明顯或無(wú)法識(shí)別樁底信號(hào)的情況，這時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員就會(huì)結(jié)合該處地質(zhì)工程勘察資料和實(shí)測(cè)時(shí)域曲線來(lái)綜合判斷樁端的嵌固情況[1]。

2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及工具配件的要求

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備要求

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁的數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)滿足《基樁動(dòng)惻儀》JG/T3055中的相關(guān)規(guī)定。數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)具有信號(hào)顯示、信號(hào)儲(chǔ)存和信號(hào)處理分析的功能，同時(shí)還應(yīng)該具備增益高低調(diào)節(jié)的功能和噪音低、頻帶寬的特點(diǎn)。

2.2 工具配件的要求

工具配件應(yīng)包括能激發(fā)寬脈沖以及窄脈沖的力錘或力棒；力錘可以是黃銅或尼龍的材質(zhì)；激振力的頻率范圍為10～20HZ。其性能評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)是設(shè)備的激振力和頻率特性以及激振設(shè)備的穩(wěn)定性等。加速度傳感器目前使用最多的是國(guó)產(chǎn)和日本產(chǎn)品，由于其生產(chǎn)工藝及材料等各種參數(shù)略有不同的原因，檢測(cè)人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)高頻響受到限制。動(dòng)測(cè)時(shí)如果傳感器的安裝剛度較大可能會(huì)產(chǎn)生諧振，使加速度傳感器的檢測(cè)范圍變窄從而導(dǎo)致檢測(cè)效果不理想。目前，低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁所使用的傳感器主要是壓電式加速度傳感器，這類(lèi)傳感器的采集頻率范圍和輸出特性均有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 數(shù)據(jù)采集時(shí)如何選擇激振工具

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁時(shí)所選用的激振工具應(yīng)根據(jù)被檢測(cè)基樁的樁身長(zhǎng)度、被檢樁的直徑以及被檢樁的樁型等因素來(lái)確定。當(dāng)被檢測(cè)的樁樁身長(zhǎng)度較短或被檢的樁身缺陷位置距樁頭較近時(shí)，可以采用剛性大的鐵錘或銅錘做激振設(shè)備，便可以滿足檢測(cè)信號(hào)采集的要求。若被檢測(cè)的基樁是樁土阻尼較大的長(zhǎng)樁或樁身直徑較大的大直徑樁，則被檢樁的樁身深部缺陷或樁端底部的反射信號(hào)必然會(huì)大大減弱，在檢測(cè)過(guò)程中遇到這種情況時(shí)一般采用數(shù)力棒做激振設(shè)備，這種力棒所產(chǎn)生的應(yīng)力波具有能量大、脈沖寬、衰減小和反射強(qiáng)的特點(diǎn)，為正確的判別樁身的完整性和樁端部的質(zhì)量狀態(tài)提供良好的信號(hào)源。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的注意要點(diǎn)

3.1 樁頭破除的注意要點(diǎn)

被檢基樁頂面處理質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響采集信號(hào)的質(zhì)量和對(duì)樁身完整性的判定，因此，要求被檢樁的頂面混凝土的強(qiáng)度和樁身截面尺寸應(yīng)與設(shè)計(jì)值基本相同。被檢樁的樁頂浮漿處理效果是否滿足要求，將直接影響到傳感器的安裝效果以及激振時(shí)所產(chǎn)生彈性波在樁頂部位的傳播路徑。因此在進(jìn)行樁基檢測(cè)前，必須把樁頭部位清理干凈且樁頂部位無(wú)積水，當(dāng)被檢樁的樁頭埋置在周邊水平面以下時(shí)，這時(shí)須要求施工單位把被檢樁的樁頭開(kāi)挖出來(lái)并且外露的高度不少于10cm。所開(kāi)挖的工作坑槽尺寸應(yīng)能滿足一位檢測(cè)人員在坑內(nèi)進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)所需要的工作空間[2]。

3.2 加速度傳感器安裝注意要點(diǎn)

加速度傳感器應(yīng)穩(wěn)固地粘貼在樁頭表面上，并進(jìn)行試采。同時(shí)為了采集到較高質(zhì)量的應(yīng)力波信號(hào)，規(guī)范對(duì)加速度傳感器的粘貼提出了具體要求，首先傳感器的重量越輕越好，與樁頂表面混凝土的粘貼越近越好；其次傳感器接觸的剛度越大越好，這樣所采集的應(yīng)力波信號(hào)就越接近于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)。加速度傳感器的粘貼以及耦合劑的選擇就顯得非常重要。

3.3 耦合劑的選擇

耦合劑可以使用稠度高的黃油、橡皮泥、口香糖、凡士林和質(zhì)地均勻的牙膏做耦合劑。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐總結(jié)出各類(lèi)耦合劑的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

當(dāng)采用黃油做耦合劑時(shí)，在粘貼傳感器時(shí)極容易弄臟檢測(cè)人員的衣物和皮膚。檢測(cè)工作結(jié)束后，留在檢測(cè)部位的黃油對(duì)混凝土表面有污染須及時(shí)清除。并且攜帶時(shí)黃油不能和其他工具一同存放，以免黃油污染工具。但黃油也有其優(yōu)點(diǎn)，黃油耐高溫同時(shí)也耐低溫，可以適應(yīng)不同的溫度環(huán)境。

當(dāng)采用橡皮泥做耦合劑時(shí)，開(kāi)盒后的橡皮泥容易風(fēng)干變硬，橡皮泥不適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存使用。通過(guò)我們多次的實(shí)踐證明在粘貼加速度傳感器時(shí)，施加在探頭上的壓力不同，激振后采集到的信號(hào)會(huì)有明顯的差異，所以對(duì)安裝傳感器的人員操作技能要求較高，在此過(guò)程中檢測(cè)人員按壓傳感器的力度盡量保持一致。但橡皮泥也有其自身的優(yōu)勢(shì)，它干凈衛(wèi)生方便攜帶。檢測(cè)結(jié)束后，混凝土表面的橡皮泥很容易被清除?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，橡皮泥廣泛用于低應(yīng)變反射波法檢測(cè)基樁完整性中。

當(dāng)采用口香糖做耦合劑時(shí)，口香糖體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶、購(gòu)買(mǎi)便捷、易清除等優(yōu)勢(shì)被廣泛使用，同時(shí)口香糖也有其缺點(diǎn)，使用前需把口香糖放入口中反復(fù)咀嚼后才能做耦合劑使用，如果檢測(cè)數(shù)量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，那么檢測(cè)人員將會(huì)很辛苦。

當(dāng)采用凡士林做耦合劑時(shí)，是護(hù)手霜的原料之一，同時(shí)也廣泛用于醫(yī)學(xué)手術(shù)中。凡士林有其干凈衛(wèi)生、方便攜帶的優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用于低應(yīng)變反射波法檢測(cè)基樁完整性中。同時(shí)凡士林做耦合劑也有其不足之處，當(dāng)檢測(cè)的工作環(huán)境溫度較高時(shí)，把凡士林涂抹在被檢樁的混凝土表面，凡士林會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)液化，這時(shí)凡士林就失去了做耦合劑的作用[3]。

當(dāng)采用質(zhì)地均勻的牙膏做耦合劑時(shí)，牙膏攜帶便捷、隨用隨擠、易清除、牙膏的稠度受溫度變化影響小等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)我們多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，運(yùn)用牙膏做耦合劑時(shí)，傳感器與基樁混凝土表面的吸貼最緊。激振后采集的信號(hào)差異最小。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器的力度沒(méi)有具體的要求。在傳感器底部涂上牙膏，輕微用力按壓在基樁混凝土表面即可。檢測(cè)任務(wù)結(jié)束后，留在混凝土表面的牙膏容易清除。基于以上的優(yōu)點(diǎn)，采用質(zhì)地均勻的牙膏做耦合劑的方法應(yīng)該大力推廣。

3.4 樁身完整性的影響因素

3.4.1 不同地層地質(zhì)的影響。如樁位在水田、魚(yú)塘、螃蟹塘等位置時(shí)，在做基樁完整性檢測(cè)時(shí)，要注意該地層位置的樁身出現(xiàn)缺陷的可能性，會(huì)比地質(zhì)條件好的地層要高出很多。注意觀察波形，設(shè)置好測(cè)試參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)波形畸變時(shí)要結(jié)合地勘報(bào)告和施工日志來(lái)綜合判斷分析樁身的完整性。地質(zhì)情況良好的樁位，基樁出現(xiàn)缺陷的概率要低于地質(zhì)情況差的樁位。在地質(zhì)情況良好的位置采集到的波形能夠判斷出缺陷時(shí)，要加密采樣點(diǎn)，并結(jié)合施工日志。

3.4.2 樁身混凝土齡期。樁身混凝土齡期未達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)樁身完整會(huì)因混凝土的強(qiáng)度不夠，影響檢測(cè)結(jié)果。未達(dá)到混凝土強(qiáng)度要求的樁身混凝土和樁周地層有明顯波阻抗，通過(guò)檢測(cè)采集的波形不易判斷樁身完整性。齡期過(guò)長(zhǎng)的樁身混凝土?xí)c樁周地層結(jié)合緊密，樁身混凝土的波阻抗和樁周地質(zhì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的波阻抗差。這類(lèi)樁身做完整性檢測(cè)時(shí)，從所采集的波形中不易判斷出樁身缺陷。并且樁底反射不明顯或沒(méi)有樁底反射，采集的波形圖與端承樁的波形相似。

3.4.3 樁身長(zhǎng)度。樁身長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，激振波在沿樁身傳播過(guò)程中衰減幅度大，遇到缺陷時(shí)反射不明顯并且難以從采集的波形中判斷出樁底位置，此種情況即使從波形中判斷出缺陷但缺陷位置也不易判斷。如樁身過(guò)長(zhǎng)并且樁身鋼筋籠沒(méi)有安裝聲測(cè)管時(shí)，可以采用隨機(jī)抽樣的方法，通過(guò)取芯或淺部開(kāi)挖的方式檢測(cè)樁身完整性[4]。

4 波形分析及結(jié)果處理注意事項(xiàng)

目前所采用的低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁的方法來(lái)判別基樁的樁身完整性，主要是以分析采集的激振波時(shí)域波形為主、頻域?yàn)檩o的方法。分析時(shí)域波形的前提條件是采集到的波形中含有樁身以及樁端底部質(zhì)量信息的響應(yīng)，這樣才能合理的判別出樁身的缺陷位置和缺陷類(lèi)型。

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，由于工程機(jī)械或工程車(chē)輛等多種干擾因素的存在，采集或分析時(shí)域信號(hào)通常要采用濾波和平滑處理的方法來(lái)找出其中的有效信息，而不恰當(dāng)?shù)臑V波會(huì)導(dǎo)致波形中已有的缺陷漏判和波形畸變。當(dāng)在信號(hào)采集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)波形中時(shí)域信號(hào)一致性差或采集工作受干擾嚴(yán)重時(shí)，可以結(jié)合頻域波形中相鄰諧振的波峰所對(duì)應(yīng)的頻率差來(lái)進(jìn)行缺陷類(lèi)型的估判。

采用低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁時(shí)，當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)施工單位提供的樁長(zhǎng)值與通過(guò)波形分析出的樁長(zhǎng)值不一致時(shí)，須對(duì)被檢樁進(jìn)行復(fù)測(cè)。如果復(fù)測(cè)結(jié)果依然存在較大差異時(shí)，可以采用鉆孔取芯的方法來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果以鉆芯取樣的結(jié)果為準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

低應(yīng)變（瞬態(tài)）測(cè)樁方法是基樁完整性檢測(cè)的重要手段之一。檢測(cè)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，檢測(cè)過(guò)程中各項(xiàng)檢測(cè)程序細(xì)節(jié)的精心設(shè)計(jì)以及檢測(cè)后的結(jié)果處理和對(duì)樁身質(zhì)量的判定都是這項(xiàng)工作不可忽略的要點(diǎn)。本文對(duì)檢樁過(guò)程中的各項(xiàng)工序注意事項(xiàng)和技術(shù)要點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，供基樁檢測(cè)的技術(shù)人員參考。