浅谈桩基低应变动测技术在公路工程中的应用

　　摘要：简要介绍低应变桩基检测中的技巧，对缺陷桩的判断以及对判断标准的建议
　　关键词：桩基低应变；动测；激振力；应变波；反射波；缺陷桩
　　前言
　　混凝土钻孔灌注桩是桥梁基础工程常用的形式之一，桩能将桥梁上部结构的荷载传递到深层稳定的土层上去，从而大大减少基础沉降和不均匀沉降。多年工程实践证明，钻孔灌注桩是极为有效、安全可靠的基础形式之一。但由于钻孔灌注桩是在地下或水下成孔、灌注混凝土，加之成孔方法各异、地质条件的变化、混凝土浇注时间长短不等各因素影响，钻孔灌注桩极易出现缺陷。常见的缺陷有缩径、扩径、短桩、断桩（夹泥）、浇注的混凝土离析及桩顶部分混凝土密实性差等；嵌岩桩主要是由于清孔不彻底，孔底沉淀厚度超标，降低桩基承载力。我们检测的钻孔灌注桩全部为摩擦桩，也存在不同程度的孔底沉淀回淤问题，影响桩基承载力。虽然钻孔灌注桩的施工工艺不断改进，但钻孔灌注桩事故率仍达2%左右，为避免给工程留下隐患，高速公路桩基要求100%进行检测。
　　采用静载试验方法对桩基进行检测受力条件比较接近实际，直观也易于被人们接受，但试验时间长，设备苯重，试验费用高，已不能满足对大量桩基进行检测的需要。特别是一些大直径长桩，由于受试验场地限制和承载力大而无法进行静载试验，就是进行了静载试验，也因怕影响桩基使用效果，加载时不可能达到极限荷载，工程桩的性能只能进行估计，且该法易使工程桩受损伤，而采用快速、简便、价廉的低应变检测方法可以满足施工现场大量检测桩的需求。近年来我们使用荷兰IFCO公司生产的IT-SYSTEM型低应变测桩仪在高速公路上进行了大量桩基检测工作，下面仅就检测中遇到的问题谈些粗浅看法。
　　桩基检测技巧
　　桩基动测技术在我国已是普遍用于对工程实体桩基的施工质量进行评判的成熟技术。采用动测技术进行桩基检测对桩没有任何破坏，故又称为桩基无破损检测技术。我们于1995年8月购买一台荷兰IFCO公司生产的IT-SYSTEM型低应变测桩仪，并聘请了有丰富测桩经验的技术人员组成检测部，开始承接桩基检测任务，分别于1997年和1998年取得了河北省技术监督局和河北省建设委员会颁发的计量认证合格证书和资质认证合格证书。几年来，我们分别在宣大高速公路、京秦高速公路、110国道等工程中共5000余棵桩进行施工质量检测，积累了一些宝贵的检测经验。
　　IT-SYSTEM型桩基检测仪发射的反射波可以检验桩身混凝土的完整性，推判桩基的缺陷类型和在桩身中的位置，对桩长进行校核，对桩身混凝土的强度等级进行估判。
　　IT-SYSTEM型桩基检测仪是由测桩仪（包括计算机处理系统和数据采集器）、接收传感器（亦称检波器）和力锤组成。反射波法是通过对桩顶施加竖向激振力，产生的弹性变形波沿桩身向下传播，在桩底、断桩或严重离析等部位存在明显阻抗界面及桩身缩径、扩径部位产生反射波。经过检测仪器接收、放大和数据处理，识别来自桩身不同部位的反射波信号，以此推判桩基完整性。检测到的应力波曲线为速度-时间关系曲线。时间、波速、桩长之间的关系，由下式表示：△tb＝2L／Vp△tb—直达波与反射波时差；
　　L—桩长；
　　Vp—应力波在桩身中的波速Vp＝√（E／ρ）
　　E—混凝土杨氏弹性模量ρ—混凝土密度当桩身存在缺陷或断桩时，各界面反射波曲线变得复杂，认真分析波形并选出可靠的缺陷反射时间△tb，从而得到缺陷部位距桩顶的距离：L′＝Vpm△tb／2 Vpm─同一工地内多根己测合格桩桩身纵波速度的平均值；
　　L′─缺陷部位距桩顶的距离。
　　在桩基检测前，首先，应收集有关桩基的一些设计施工资料，如工程地质资料、桩基设计图、施工原始记录（钻孔记录、混凝土浇注记录等）和桩位布置图；其次，检测前应对所需进行检测的单桩做好测前处理，施工单位一定要将桩头泥浆及夹带泥浆的混凝土凿除干净；第三，检查仪器设备是否正常。需要进行检测的桩头半径1／3以内至少需要两个干净且坚实的混凝土平面，其中一个用于检测时粘贴传感器，另一个用于锤击。传感器用黄油或橡胶泥粘牢。锤击位置要尽可能靠近桩头中心部位，并与传感器不要离的太远，锤击处应与传感器粘贴处等高。锤击力方向应平行桩基轴心线。
　　锤击能量大小对桩基检测是非常重要的，对较长、直径较大的桩，由于桩土相互作用及桩混凝土的弹性影响，能量衰减很快，锤击能量较小时，应力波传播距离较近，桩身深部即使有缺陷，也难以发现反映桩身缺陷的反射波，因此应视桩长区别施力，长桩、大直径的桩锤击力应大于较短桩和小直径的桩。施力大小的由试验确定。
　　桩基完整性检测精确程度主要是检测仪器能接收到清晰的锤击反射波信号，以便为准确分析提供可靠数据。反射波信号的精确程度首先取决于检测仪器，主要有接收传感器量程范围和动态范围以及灵敏度；传感器的阻尼性良好程度；传感器的频率响应范围，一般应在几十至2khz之间；检测仪器要有足够的滤波放大能力；数据后处理手段先进。清晰反射波信号我们是通过反复多次对被检测桩头进行锤击，细心采集重复性好，桩底的反射波信号清晰，存储后进行分析，以便得出正确判断。
　　桩基检测应在混凝土强度达到80%以上，或灌注桩混凝土龄期达7天以上。施工单位为了要进行下道工序施工的需要，往往要求检测单位提早进行检测，这必然给桩基完整性的判断增加难度。如遇到这种情况，需要采集更多一些反射波信号，从中找出能正确判断该棵桩基完整性的波形信号。
　　2、缺陷桩的判断
　　钻孔灌注桩存在的缺陷按其性质可分为两类，一类是外部形状较完整，混凝土的密度及反射波发生变化，即混凝土的弹性模量发生变化；另一类是桩身混凝土较均匀，桩身断面发生变化。在桩基检测中按桩基缺陷程度一般分为四类：一类桩桩身结构完整，桩径均匀，混凝土密实，反射波波形规整，上下幅值对称，符合自由振动指数衰减规律。频谱曲线规则，主峰突出明显，频峰幅值是按一定规律衰减；二类桩桩身基本完整，桩径略有变化（轻度缩径），反射波波形欠规整，上下幅值基本对称，近于自由振动衰减规律。频谱曲线基本规则，主峰较突出而明显，频峰幅值衰减虽有变化，但其他频峰与主峰幅值相比较小；三类桩桩身完整性差，桩身局部断裂，严重缩径或混凝土严重离析，反射波波形不规整，上下幅值不对称，波形曲线不按自由振动衰减。频谱曲线出现双峰或多峰形，频峰幅值不按规律衰减，主峰之后频峰偏高，其峰值比大于0.65以上；四类桩桩身完整性极差，判断为短桩、断桩，反射波波形极不规整，上下幅值极不对称，波形紊乱，不符合自由振动衰减规律，频谱曲线出现双峰或多峰。频谱曲线主峰不突出，其他频峰不按规律衰减，而峰值有时与主峰相近，有时高于主峰。