低應(yīng)變檢測基本原理

反射波法又叫應(yīng)力波法,是以手錘或力棒等激震裝置撞擊樁頂,產(chǎn)生一縱向應(yīng)力波信號沿樁身傳播,由傳感器(速度型或加速度型)拾取樁身缺陷及不同界面的反射信號,再通過一系列分析處理來判定樁身質(zhì)量。由于該方法受外界環(huán)境、人員素質(zhì)等多種因素影響,采集到的信號往往是包含多種頻率成分的動態(tài)信號,所以應(yīng)針對樁基檢測的各個(gè)步驟采取相應(yīng)的措施和手段,來獲取樁身響應(yīng)的真實(shí)信號。低應(yīng)變反射波法樁基檢測可分為兩個(gè)階段:現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)階段和室內(nèi)數(shù)據(jù)分析處理階段。

影響低應(yīng)變反射波法檢測的幾個(gè)因素

1、樁頭處理

對低應(yīng)變動測而言，判斷樁身阻抗相對變化的基準(zhǔn)是樁頭部位的阻抗。在處理樁頭時(shí)還樁頂條件和樁頭處理好壞直接影響測試信號的質(zhì)量，因此務(wù)必進(jìn)行樁頭處理，處理后應(yīng)保證樁頭的材質(zhì)、強(qiáng)度應(yīng)與樁身相同，樁頭的截面尺寸不宜與樁身有明顯差異；樁頂面應(yīng)平整、密實(shí)，并與樁軸線基本垂直。灌注樁應(yīng)鑿去樁頂浮漿或松散、破損部分，露出堅(jiān)硬的混凝土表面；樁頂表面應(yīng)平整干凈且無積水；妨礙正常測試的樁頂外露主筋應(yīng)割掉。對于預(yù)應(yīng)力管樁，當(dāng)法蘭盤與樁身混凝土之間結(jié)合緊密時(shí)，可不進(jìn)行處理，否則，應(yīng)采用電鋸將樁頭鋸平。

當(dāng)樁頭與承臺或墊層相連時(shí)，相當(dāng)于樁頭處存在很大的截面阻抗變化，對測試信號會產(chǎn)生影響。因此，測試時(shí)樁頭應(yīng)與混凝土承臺斷開；當(dāng)樁頭側(cè)面與墊層相連時(shí)，除非對測試信號沒有影響，否則應(yīng)斷開。

應(yīng)注意不能將樁身劈裂，留下隱性裂縫，樁頭的破碎部分應(yīng)徹底清除，樁頭面應(yīng)成完整的水平面。尤其應(yīng)將敲擊點(diǎn)和傳感器安裝點(diǎn)部位磨平，如此就可避免檢測過程中產(chǎn)生虛假的信號而影響評判結(jié)果。多次錘擊信號重復(fù)性較差時(shí)，多與敲擊或安裝部位不平整有關(guān)。

下圖是樁頭處理前后，用RSM-PRT(N)基樁低應(yīng)變檢測儀實(shí)測的曲線比對圖：

2、傳感器的選擇與安裝

在對基樁進(jìn)行低應(yīng)變反射波法測試時(shí)選用速度或加速度傳感器。其中速度計(jì)在低頻段的幅頻特性和相頻特性較差，在信號采集過程中，因擊振激發(fā)其安裝諧振頻率，而產(chǎn)生寄生振蕩，容易采集到具有振蕩的波形曲線，對淺層缺陷反應(yīng)不是很明顯。同速度計(jì)相比，加速度計(jì)無論是在頻響特性還是輸出特性方面均具有巨大優(yōu)勢，并且它還具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)， 因此用高靈敏度加速度計(jì)測試所采集到的波形曲線，沒有振蕩，缺陷反應(yīng)明顯。所以建議在對基樁進(jìn)行低應(yīng)變反射波法測試時(shí)選用高靈敏度加速度計(jì)檢測。傳感器的安裝對現(xiàn)場信號的采集影響較大，理論上傳感器越輕、越貼近樁面、與樁面之間接觸剛度越大，傳遞特性越好，測試信號也越接近樁面的質(zhì)點(diǎn)振動。所有動測均要求如此。對實(shí)心樁的測試，傳感器安裝位置宜為距樁心 2/3～3/4 半徑處；對空心樁的測試，錘擊點(diǎn)與傳感器安裝位置宜在同一水平面上，且與樁中心連線形成 90°夾角，傳感器安裝位置宜為樁壁厚的 1/2 處。

3、擊振方式的選擇

擊振信號的強(qiáng)弱對現(xiàn)場信號的采集同樣影響較大，對實(shí)心樁的測試，擊振點(diǎn)位置應(yīng)選擇在樁的中心。由于近年來超高建筑的修建，使得基樁的長度越來越長，樁徑也越來越大，所以長大樁的測試越來越多。對長大樁測試一般應(yīng)當(dāng)用力棒擊振，其重量大、能量大、脈沖寬、 頻率低、衰減小，適宜于樁底及深部缺陷的檢測，樁底及深部缺陷的信號反射較強(qiáng)烈。但由此很容易帶來淺層缺陷和微小缺陷的誤判和漏判。當(dāng)根據(jù)信號發(fā)現(xiàn)淺層部位異常時(shí)，建議用小手錘擊振，因其重量小、能量小、脈沖窄、頻率高，可較準(zhǔn)確的確定淺層缺陷的程度和位置。

4、樁周土層的影響

在對基樁進(jìn)行低應(yīng)變反射波法測試時(shí)，要充分考慮到樁周土層對所采集波形曲線的影響。檢測人員往往只注意到樁身波阻抗變化造成的信號反射， 而忽略了應(yīng)力波在樁身中傳播時(shí)， 不僅受到樁身材料、剛度及缺陷的影響，還受到樁周土層的彈性模量大小的影響。當(dāng)樁周土從軟土層變化到硬土層時(shí)，采集的波形曲線會在相應(yīng)位置處產(chǎn)生類似擴(kuò)徑的反射波，而當(dāng)樁周土從硬土層變化到軟土層時(shí)，采集的波形曲線會在相應(yīng)位置處產(chǎn)生類似縮徑的反射波。如果不考慮樁周土對采集波形曲線的影響，不了解樁側(cè)的地質(zhì)情況，容易對基樁產(chǎn)生誤判。

因此做到以下兩點(diǎn)很有必要：

1） 結(jié)合地質(zhì)資料、施工記錄分析基樁完整性。

樁型、施工工藝對基樁的完整性以及缺陷類型影響很大。如：預(yù)制樁、人工挖孔樁不可能縮徑；許多的缺陷或質(zhì)量事故都發(fā)生在流水處或地層變化處；地層變化對波形也會產(chǎn)生影響（會產(chǎn)生反射波）等等。因此查看地質(zhì)資料、了解施工記錄對確定缺陷位置有很好的幫助。

2） 綜合分析同一工程的所有被測樁。同一工程的地質(zhì)和施工狀況大致相同，通過尋找被測樁之間的共性，再來分析每一根樁的情況，往往能有效的提高分析效果。

5、信號處理

濾波是波形分析處理的重要手段之一，是對采集的原始信號進(jìn)行加工處理，它是為了將測試信號中無用的或次要成分的波濾除掉，使波形更容易分析判斷，在實(shí)際工作中，多采用低通濾波，而低通濾波頻率上限的選擇尤為重要，選擇過低，容易掩蓋淺層缺陷，選擇過高， 起不到濾波的作用。對于速度計(jì)的安裝諧振場振蕩而言，恰當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波可以與之互補(bǔ)，從而延拓傳感器的使用頻率范圍， 因此對于這種信號的數(shù)字濾波方式， 以在頻域分析的基礎(chǔ)上， 恰好濾去安裝諧振場振蕩的原則?？梢酝ㄟ^比較濾波前后幅值譜曲線的方式來驗(yàn)證濾波恰當(dāng)否，但一般來說以選擇安裝諧振峰左側(cè)第一谷處頻率作為低通截止頻率為宜，大體上速度計(jì)的該頻率不宜低于 800hz；數(shù)字濾波也可以用于加速度計(jì)，使用原則與速度計(jì)一樣，但其濾波宜在積分后進(jìn)行，且不宜低于 1500hz，數(shù)字平滑雖與濾波功能近似，但也不能完全對等，用于加速度計(jì)的積分信號較為理想，一般以正好消去高頻毛刺為原則。

工程實(shí)例

1、人工挖孔樁護(hù)壁對實(shí)測波形的影響

某廠集體宿舍采用人工挖孔樁，樁徑為l000mm，設(shè)計(jì)樁長為10.0m，護(hù)壁每段高約1.0m。反射波實(shí)測波形約在1.3m開始有周期性振蕩，但是可以明顯見到樁底反射。由于判定的缺陷深度在淺部，于是，我們建議工地對該樁缺陷進(jìn)行鑿除處理，然后重測，進(jìn)一步對該缺陷以下部位進(jìn)行完整性普查。該工地甲方和施工方給予了積極的配合，但鑿到判斷的缺陷位置仍未發(fā)現(xiàn)有離析、蜂窩等缺陷出現(xiàn)，而發(fā)現(xiàn)在其附近位置恰好為護(hù)壁接壤處，且樁身垂直剖面呈梯形。此時(shí)，對該樁鑿平打磨后重測，淺部沒有缺陷反射波，由此可確定第一次檢測的周期性反射波由護(hù)壁引起。

2、豎向裂紋對實(shí)測波形的影響

某大橋改造工程，基礎(chǔ)仍利用原基礎(chǔ)鉆孔灌注樁，樁徑1200mm，為了解這些舊樁的樁身完整性，采用反射波法進(jìn)行完整性普查，普查中發(fā)現(xiàn)有部分樁動測曲線凌亂無規(guī)律，初步判斷為淺部缺陷，引起缺陷的具體類型未能確定。在進(jìn)行動測的同時(shí)，我中心對這些舊樁進(jìn)行抽芯取樣，以了解其砼強(qiáng)度。在抽芯取樣過程中，發(fā)現(xiàn)這3根樁芯樣豎向裂開，樁頭經(jīng)徹底沖洗干凈后，可見豎向裂紋橫貫整樁截面。后來發(fā)現(xiàn)動測曲線凌亂的樁均有此現(xiàn)象，據(jù)我們推測，豎向裂紋可能是因拆除舊橋時(shí)采用定向爆破而產(chǎn)生。于是我們建議對這些樁再向下鑿除2m后重測，重測結(jié)果顯示淺部的缺陷問題消失了，樁底反射清晰，動測效果十分理想。

3、淺部橫向裂紋對測試波形的影響

某廠房工程，采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑為400mm，在進(jìn)行反射波測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)靠路邊高出地面1.3m的樁淺部斷裂。為進(jìn)一步查明該樁的完整性，在施工方的配合下，鋸去斷裂部分重測，從曲線上分析，在1.2m仍存在裂紋缺陷。但值得注意的是，開挖并對該部位洗凈后，并未發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，距樁頭 1.5m以上部位全部清洗干凈后，問題終于顯露出來，實(shí)際上裂紋是在距樁頭僅 0.3m處。

4、土阻力對實(shí)測波形的影響

某廠采用預(yù)應(yīng)力管樁 ，樁徑300mm，設(shè)計(jì)樁長15m，自上而下地層情況為：①素填土，②粉質(zhì)粘土，③粉土。該工地動測 21根樁，無論我們使用 lkg的尼龍頭小手錘，還是使用15kg重的力棒，均未能得到較理想的樁底反射。沙頭某花園也采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑 500mm，設(shè)計(jì)樁長42m，地層自上而下為：①素填土，②粉質(zhì)粘土，③淤泥質(zhì)土，④粉砂，⑤淤泥質(zhì)土，⑥礫砂，⑦礫砂混卵石，⑧強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。2007年 11月，現(xiàn)場對該工地的其中5根樁進(jìn)行反射波法動測，從動測曲線看，樁底反射清晰明顯 。通過這兩個(gè)工地對比可以看出，雖然低應(yīng)變沖擊能量小，所激發(fā)樁周土阻力很小，但樁周土阻力特別是動土阻力對應(yīng)力波傳播的影響非常，導(dǎo)致應(yīng)力波迅速衰減。

5、人為因素的影響

某公司辦公樓擴(kuò)建工程采用鉆孔灌注樁，總樁數(shù) 20根，設(shè)計(jì)樁長 34m，樁徑 800mm，樁身強(qiáng)度C25。20根樁反射波的平均波速約3700m／s，其中有兩根樁在施工方提供的樁長位置未見樁底反射。而在25．7m(以平均波速計(jì)算)處有同相反射波，根據(jù)《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106一2003)，這兩根樁屬于Ⅲ類樁，應(yīng)采取其它方法進(jìn)一步抽檢以確定其可用性，具體方法包括抽芯、高應(yīng)變驗(yàn)樁或者靜載試驗(yàn)。如果采取這些方法，會拖延工期，而且該工地在公路邊，已經(jīng)開挖，在雨季的時(shí)候土層容易坍塌。為此我們向施工方了解情況，經(jīng)過復(fù)查，這兩根樁的實(shí)際長度是27m(破樁到承臺底標(biāo)高后約為 26m)。按實(shí)際的樁長再分析這兩根樁，25．7m處的反射波為樁底反射，波速接近 3700m／s，屬于 I類樁。提交報(bào)告后施工如期進(jìn)行。