基桩低应变法检测技术的研究概况

【摘要】低应变检测技术建立在应力波理论基础上，根据基桩反射波形来判断基桩完整性以及承载力。由于方便快捷的特点，低应变检测技术已经被广泛应用于基桩检测中。对于反射波形处理，传统的低应变检测法利用人工分析，对检测人员的经验积累及判断准确性要求较高；在应用范围方面，一般认为低应变检测法对于桩身完整性检测效果较为准确，但对于桩体承载力检测效果较差。针对基桩低应变检测技术中存在的几个技术难点，近年来数值试验、神经网络等很多分析方法被引入低应变检测中，大大提高了基桩低应变检测技术的可靠性和准确性，并对低应变检测法的理论基础进行了深化和改进。
　　【关键词】基桩；低应变；检测
　　一、前言
　　随着我国建筑事业的发展，桩基已成为一种重要的基础形式，在高层建筑、重型厂房、桥梁、港口、码头、海上采油平台、核电站工程以及地震区、软土地区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区和冻土地区的地基处理中得到广泛地应用[1]。基桩属于基础结构，与上部结构不同，质量控制及检测困难。低应变检测法正是针对基桩的特点应运而生的一种简单快速的质量检测方法。但低应变检测法在实践和理论上并不完善，随着科学技术的发展，许多学者对低应变检测法从实用和理论上进行了深入研究，使得低应变检测法的可靠性和准确性得到了很大提高。
　　二、低应变检测法基本原理
　　基桩的检测分为两个方面：桩身完整性以及桩体承载力。低应变法最初是为了确定基桩桩体完整性而发展起来的，可以分为时域法和频域法两种。时域法中的代表为瞬态反射波法，其基本原理是将桩看成是一维杆件，由激振源在桩体中引起的弹性波在传播时遇到桩体缺陷处（如扩径、缩径处），或遇到不同介质时（如桩头或桩底），弹性波将产生反射，通过桩顶的传感器可以接受反射波信号，根据反射波信号与完整桩的信号相对比，即可以判断出桩身缺陷所存在的位置以及类型，如图1所示。而频域法的代表方法机械阻抗法则通过瞬态和稳态两种激振形式来测试桩体的固有频率，获得频率-位移导纳或速度导纳相应信号来确定桩体完整性。在实际工程中，反射波法由于其简单直观的特点，应用较为广泛。
　　

　　对于单桩承载力的确定，最初是采用高应变测试确定，并且已经被美国、部分欧洲国家以及中国列入行业规范。近几年来，为了更加简化应变测试技术，部分学者开始提出低应变测试单桩承载力方法，从理论和实践上证明了此种方法的可靠性。根据流变学理论，认为即使是非线性材料，其应力-应变曲线也具有外推性。因此将待测桩-土体系视为质-弹-阻模型（如图2所示），建立基桩承载力与频率、桩周土横波波速以及桩身纵波波速的相关模型，通过现场测试所得波速，推求得单桩承载力。
　　

　　三、低应变检测法存在的问题
　　3.1人工分析波形带来的误差
　　在采用反射波法测试桩身完整性时，主要是依靠检测人员的经验来对比分析反射波形。若使用者经验不足，对桩身缺陷认识较浅，在碰到比如多次反射问题时，容易造成对检测中的误判，影响检测效果，降低检测可靠性。
　　3.2信号真实性难以保证
　　基桩低应变检测中，反射波信号是进行桩身质量判断的唯一数据，信号的真实性将直接影响检测的准确度。以下因素是影响信号真实性的关键：
　　（1）桩头必须处理到坚硬、新鲜的混凝土层，否则激振能量将在很短的范围内迅速消散，影响应力波在桩体中的传递从而导致信号失真；
　　（2）传感器的灵敏度以及测量频率宽度应该与所测桩相匹配，且传感器安装需与桩头接受面耦合良好；
　　（3）激振锤的质量和刚度选取将会影响到应力波的频率，而频率又会影响应力波在桩体中的传播质量，高频波有利于判断出缺陷处的反射但消散很快，低频波虽然消散较慢但是对于缺陷处的判断困难较大，因此选择合理的激振锤也是检测的关键。
　　3.3理论缺陷
　　基桩低应变检测假设了桩体中的波是一维弹性波。但是当地质条件复杂时，反射波可能是三维球面波，若简单作为一维波处理会出现较大误差。
　　3.4单桩承载力检测不成熟
　　通常对于单桩承载力，应当采用高应变检测方法，而低应变检测方法只适用于基桩完整性的检测。虽然20世纪80年代以来，利用低应变技术确定单桩承载力已经取得了一定程度地进展，但是理论上仍然不成熟且没有形成一套切实可行的规范方法，对于不同的桩-土体系而言，低应变确定单桩承载力是否适用仍然不确定。
　　四、研究进展
　　为了提高基桩低应变检测技术的可靠性，完善其理论基础，数值模拟，神经网络、流变理论等先进方法被引入检测技术中，对低应变检测技术的发展起到了很大的推进作用。
　　4.1数值试验
　　有限元模拟是一种简单可靠的数值计算方法，利用有限元方法可以方便得进行数值试验，对于复杂的岩土问题进行定性和定量分析。采用动力有限元方法，可以方便地建立基桩低应变动力检测模型，对于各种复杂情况进行数值模拟，避免了繁杂的现场试验研究。通过模拟不同地质条件下各种缺陷情况下的基桩反射波形图，能够全面了解缺陷桩体的反射特性，为现场基桩检测提供可参考的资料，避免盲目检测所带来的误差。
　　4.2进化支持向量机的引入
　　支持向量机算法主要用来解决模式识别和函数拟合问题。将遗传算法与支持向量机相结合，可以建立一种用于基桩低应变完整性检测的进化支持向量机分类模型。这种方法基于实测数据，利用遗传算法搜索最优的支持向量机参数，用获得的最优模型进行学习，从而得到泛化能力更好的分类模型[3]。利用该方法可以快速准确地利用部分测量数据进行基桩完整性检测，节约了人工分析时间并提高效率。
　　4.3考虑地质条件影响
　　在地质条件复杂时，会引起反射波变化，影响检测人员的判断。在土层软硬交界处，土层阻力会引起阻力反射波，增加波形分析难度，容易造成与桩身缺陷的混淆，导致错误判断。因此，在进行基桩低应变检测之前，相关人员应仔细阅读分析地质报告，对于地层交界处需要格外注意，以免造成误判。
　　五、实例分析
　　

　　　　分析步骤：图3（a）为完整桩的反射波形，图中t1时刻能够看出明显的桩底反射，完整桩反射波形可以作为参照物来分析桩体完整性，桩身波速计算公式为（l为桩长，t1为桩底反射波到达桩头的时间）；若桩体产生缩径，将会出现与入射波反相的反射波，如图3（b）所示，参照完整桩的方法，计算出波速v，再利用所算出的波速v以及时间t2可以计算得出缩径位置，计算公式为：；若桩体产生扩径，在反射波到达桩头之前将会出现与入射波同相的反射波，如图3（c）所示，计算方法与缩径相同。
　　六、结论
　　基桩低应变检测技术作为一种简单实用的方法，已经被广泛应用于实际工程检测中。随着技术和理论的发展，数值试验、进化支持向量机、人工神经网络等先进数学方法被引入反射波形分析中，地质条件对测试准确度的影响也越来越受到人们的重视，同时，利用低应变测试单桩承载力的理论研究和实践应用也发展迅速。
　　【参考文献】
　　[1]王林红，沈毅靖.低应变检测技术在桩基检测中的应用[J]科技风，2009,2（下）
　　[2]刘明贵，彭俊伟.进化支持向量机在基桩低应变完整性检测中的应用[C]NDT学术年会论文集，武汉，2007