浅谈基桩检测中声波透射法与低应变法-职称论文发表网

浅谈基桩检测中声波透射法与低应变法
王红亮
摘要：基桩成桩质量检测的内容主要为桩基承载力和桩身完整性两个方面。目前，进行基桩完整性检测最常用的方法主要有声波透射法和低应变法两种。由于其检测原理与作用范围的不同，这两种方法在应用中各有优劣之处。本文主要对声波透射法和低应变法的相关技术要点进行了叙述，并对遇到的相关问题进行探讨。
关键词：基桩检测；声波透射法；低应变法
1 声波透射法
声波透射法检测原理如下：根据桩径大小在桩身预埋一定数量的声测管作为声波发射和接收换能器的上下通道，通过水的耦合，用声波检测仪以一定的间距沿通道逐点检测声波穿过桩身各截面混凝土的声学参数；根据实测的波速、波幅、频率、波型等特征，利用PSD判据法等技术进行分析判断，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性，并评定桩身完整性等级。其显著特点是：检测全面、细致，声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面，信息量相当丰富，结果相对准确可靠，且现场操作方便、快速，不受桩长、长径比的限制，一般也不受场地限制。声波透射法以其鲜明的技术特点成为目前混凝土灌注桩完整性检测的重要手段，在建筑、水利、公路和港口等工程建设领域得到了广泛应用。
从声波透射法检测的原理可知：这种方法主要通过准确测定声波经混凝土传播后各声学参数的量值及变化来判断混凝土的质量情况。目前常用的声学参数为声速、波幅、频率和波形，它们与混凝土质量存在一定的关系。
1.1声速与混凝土质量的关系
声速反映了混凝土的弹性性质，而混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性，因此声速与混凝土强度之间也存在相关性。另外，声速与混凝土内部结构也有关．内部越紧密，孔隙率越小，则声速越高。
1.2波幅与混凝土质量的关系
波幅的大小与混凝土的粘塑性有关，波幅越小，说明混凝土对声波的衰减越大。当混凝土中存在缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使波幅明显变小。波幅受换能器的耦合条件影响较大，通过水的耦合一般比较稳定，但最好使换能器处于居中位置。波幅与混凝土质量紧密相关，它对缺陷的反映比声时更敏感。
1.3接收波频率与混凝土质量的关系
声波脉冲是复频波，频率成份较多，各频率成份的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，故频率实质上是介质衰减作用的一个表征值，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使频率明显降低。
1.4接收波波形与混凝土质量的关系
由于声波脉冲在缺陷界面产生反射和折射等，形成不同的波束，这些波束因传播路径不同或由于在界面产生波形转换而形成横波等原因，使接收到的时间不同，同时接收波是许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。凡声波脉冲在传播过程中遇到缺陷，其接收波往往畸变，其变形程度可作为判断缺陷程度的参考依据。
尽管利用超声波透射技术来检测混凝土完整性及内部缺陷的方法已发展了数十年时间，相对也较为成熟，但作为一种无损检测手段，它仍存在一定的局限性和技术分析难点：a.其检测范围有一定局限性。b.对于小缺陷的检测分析有时容易出现误判。对于混凝土中大的缺陷，透射波反映比较真实可靠，对于小的缺陷，这两种干扰比较明显。透射波在小缺陷位置发生绕射，接收到的波形除了声时略大外其它物理特征并没什么明显变化，这种情况下检测人员往往很难作出正确判断。我们在实践中发现，声波透射法检测有时未发现缺陷，但抽芯时发现芯样局部存在较明显的蜂窝，后来通过抽芯孔进行细测还是未能发现缺陷的存在。这种情况下需要检测人员特别细心，发现声时略大时一定要进行斜测。小缺陷在两管中间时斜测反映还是比较明显的。但小缺陷如果靠近或在声测管周围时斜测就反映不出来了，它将变化成另外一种情况：如果是小蜂窝那就会漏测，如果是小夹泥将反映是严重缺陷了。
但总体而言，声波透射法检测到的缺陷那肯定是存在的，检测结果完好的则桩身完整性就不会有大的问题。
2 低应变法
低应变法检测原理是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础，把桩身假设为连续弹性的一维均质杆件，并且不考虑桩周土对沿桩身传播的应力波的影响，在简化为一定的数学模型和物理假定的基础上进行参数测定和分析。低应变法检测技术也处于发展阶段，由于该理论是建立在假定的理想状态下，与实际状态差别较大，容易造成误判。同时它受到噪声、地质、传感器质量和安装谐振频率及测试系统的幅频相频响应等因素影响较大。同时，它只能根据响应信号作出判断，理论的不完整性和信号的单一性使对缺陷的性质和大小未能作出准确判断，检测人员主观意识影响较大。
2.1低应变法检测对桩身缺陷的类型和程度较难区分
理论上时域曲线存在同向反射，那桩身混凝土必定存在缩孔、离析、夹泥、蜂窝、断裂等或桩底存在沉渣、持力层差等缺陷，但实际上地质的影响和信号的叠加也会产生同向反射，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，阻抗的变小可能是上面一种或多种缺陷类型及其程度大小的综合体现，所以低应变法检测既不能判断缺陷的具体类型，也不能对桩身缺陷的程度作出定量判定。
2.2低应变法检测受地质条件等因素影响较大
由于受桩周土约束、锤激能量、桩身材料阻尼和截面阻抗变化等因素影响，应力波在传播过程中能量和幅值逐渐衰减，若桩过长或桩身阻抗多变，往往应力波尚未反射回桩顶甚至还未传到桩底，其能量已完全衰减或提前反射；或桩的阻抗与桩端持力层阻抗匹配。上述情况均使仪器未能测到桩底反射信号。故《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）说明对同一场地、地质条件相近、桩型和成桩工艺相同的基桩，因桩端部分桩身阻抗与持力层阻抗相匹配导致实测信号无桩底反射波时，可按本场地同条件下有桩底反射波的其他桩实测信号判定桩身完整性类别。
在实际检测中桩身阻尼和土阻力的影响往往比我们预计的要复杂得多，有时相似的响应信号（时域曲线）抽芯出来的结果相差甚远，特别是嵌岩桩。实践中发现有些嵌入坚硬基岩的桩底出现同向反射，而钻芯却未发现桩端或基岩存在缺陷；或者嵌岩桩桩底反向反射明显，但抽芯发现桩底有沉渣或持力层破碎、裂隙发育等情况。
另一方面，虽然低应变法理论上可以将嵌岩桩桩端视为杆件的固定端，并根据桩底反射波的方向判断桩端端承效果，但低应变法很难回答桩底沉渣厚度的大小和影响程度。
2.3对同向反射信号的分析与处理
低应变法检测中，对同向反射信号应视不同情况作具体分析：属于扩孔后的恢复信号，其同向幅值不大于反向，不应当作缺陷信号；浅部同向并造成振荡的应开挖检查；深部的幅值过高或产生振荡的，不管是否能看到桩底反射信号，均应进一步抽芯检查；嵌岩桩有明显入岩信号但
桩底存在同向反射的，应抽芯检查并作这一工地的参考资料，其它相同信号供强制性抽芯参考；嵌岩桩无明显入岩信号并桩底存在同向反射的，一律抽芯验证。
2.4传感器安装和激振的相关问题
传感器安装和激振是低应变法检测的重要环节。影响传感器安装谐振频率的因素主要是安装刚度和安装体质量，前者与粘接体的性质、几何尺寸、接触面积以及平整度有关，后者是安装体质量越大，安装谐振频率就越低，故要采取一系列有针对性的措施消除它对实测信号的不良干扰：传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄，传感器安装面与桩顶面应紧密接触；传感器安装点与激振点应远离钢筋笼，以减少外露钢筋振动对测试产生干扰信号；传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰的程度各异，安装点距桩中心约2／3半径处，受干扰相对较小；当桩径增大时，桩截面各部位的运动不均匀性也增加，故每个检测点有效信号数不宜少于3个，而且应具有良好的重复性，通过叠加平均提高信噪比。
3 结束语
总而言之，声波透射法与低应变法基桩完整性检测都是技术与经验相结合的测试方法，两种检测方法在可靠性和技术上存在不同的局限性，排除外界条件的干扰，提高检测的准确度，减少在工程桩基础检测中的误判，除了应提高仪器设备的质量外，经验的总结和推广也是非常重要的。随着理论的不断完善、仪器设备的改进和技术经验的提高，这两种检测技术一定能在工程建设中更好地发挥作用。