桩基低应变完整性检测的分析研究

摘要：低应变检测作为完整性检测的普测手段，得到了广泛的应用。本文介绍

了低应变检测基本原理，并对低应变法检测预应力管桩存在的局限性展开了研究。 关键词：预应力管桩；实测波形；完整性 引言

预应力混凝土管桩是当前建筑工程中大量应用的基桩形式之一，是预应力技术与离心制管技术相结合的产物。对于预应力混凝土管桩，很多时候低应变法检测完整性存在明显的误判、漏判或错判。因此，有必要对低应变法检测预应力管桩完整性的局限性进行研究。 1.低应变检测基本原理

任何一个结构（或系统）受到动力作用（激励）后必有一定的反应（或称响应）。该反应除与激励条件有关外，取决于结构的动力特性。

低应变法是以应力波在桩身中的传播特征为理论基础的一种方法。该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆件，测试时在桩顶竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗差异界面（即桩身存在缺陷或遇桩底土层）或桩身截面积发生变化时，将产生反射波，经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息。通过对反射信号进行分析计算，判断桩身混凝土的完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。

反射波法的理论基础是一维线弹性杆件模型，因此受检基桩应满足下列条件：长细比＞5；瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸＞5；设计桩身截面基本规则；应力波传播时平截面假定成立。 2.低应变检测管桩的局限性 2.1低应变本身的局限性

反射波理论是建立在一维均质弹性杆基础上的，其数学模型是一种理想化的模型。在实际工程中，反射波传播过程受很多因素的影响，除最大的桩身材质和桩周土阻抗外，还有检测设备自身的问题和非一维波、波的弥散、多重缺陷等一系列因素。因此，工程桩的反射波图形反映的不仅仅是桩身质量，而是多种因素综合作用的结果。低应变反射波仅能对工程桩的完整性进行粗略判断，有时甚至只能对上部缺陷进行判断，不能对缺陷的种类和大小进行精确的描述（这已在工程检测界形成了共识）。如：低应变对浅部缺陷较为敏感，对深部缺陷和桩底沉渣难以反映；低应变很难识别纵向裂缝，对水平裂缝和接缝有所反映但难以定量；分辨率有限，难以判别管桩桩身细小微裂缝。1992年在荷兰海牙进行的动测桩“考试”，12家国际知名公司认为对10mm宽的刻痕难以分辨。 2.2低应变理论的适用性

反射波法的理论基础是一维线弹性杆件模型，因此受检基桩应满足下列条件：长细比＞5；瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸＞5；设计桩身截面基本规则；应力波传播时平截面假定成立。但是，预应力混凝土管桩为一圆环柱体，并非满足一维弹性杆件。中国建筑科学研究院陈凡等认为，对于管桩，应力波传播时平截面假定非严格成立。这也从一定程度上说明应力波在圆环柱体内的传播不能简单套用杆件模型。

特别是大直径管桩，在采用应力波反射法检测时，桩顶某一点受到激振锤的敲击作用，受到集中荷载作用，应力波不仅沿纵向传播，同时也沿着管壁环向传播。应力波传播是一个三维问题，且桩顶高频波干扰严重，使桩身缺陷难以判断。

因此传统的基于一维波动理论的动力检测方法存在较大误差。对管桩进行低应变检测时，将激振点布置在与传感器圆心夹角为90°的位置，虽然能在一定程度上减小了高频干扰波峰值，但无法完全消除高频波干扰。 2.3管桩构造的特殊性

（1）开口管桩底部的土塞或管内积水时的积水界面、桩顶部位的填芯处理，都会对桩身缺陷诊断带来一定的干扰。

（2）预应力管桩为一圆环柱体，严格地讲已不满足一维弹性杆件假设。实际上，桩是三维体，桩身缺陷的形状、空间位置也是随机分布的。对于挖土、机械行走等原因造成桩身出现明显倾斜、扭曲的管桩，桩的纵向轴线已非直线，可能是呈空间分布的1条曲线，更加不满足反射波法的理论基础。

（3）对于挖土、机械行走等原因造成桩身出现明显倾斜、扭曲的管桩，在低应变检测时，受检桩只有水平向土压力作用，但是预压应力的存在，使得裂缝的开展并不明显，桩身完全有可能并没有出现裂缝、断裂等明显的阻抗变化界面。因此，低应变检测对于缺陷的漏判完全是有可能的。 3.综合分析方法的必要性、准备工作与具体实施 3.1综合分析方法的必要性

在工程桩桩身完整性检测中仅仅依靠反射法所得到的检测信号，来分析推断桩身完整性及是否存在缺陷是绝对不够的。甚至会出现判断错误，乃至不得其解。原因在于：低应变检测法和其它的检测方法一样，存在很多局限性。也就是说仅从波形的异常来判断，可能会有多种解释。

动测技术是一门正在研究、发展、完善中的新技术，许多关键技术问题，尚需进一步研究、总结、提高，而它所服务的对象是地质极其复杂、深达数10m的地下隐蔽工程，到目前为止，低应变完整性检测，只能定性地告诉我们，桩身有没有缺陷的存在、缺陷的大概位置以及缺陷的大致程度，至于对缺陷的性质和程度的定量描述，就低应变技术本身而言，有一定的难度。只有在实测曲线（时域、频域）的基础上综合分析各种因素的影响才能得到比较合理的结论。为此，必须采用综合分析的方法，全面考虑工程地质状况、桩位分布、偏位和倾斜状况，沉桩的工艺流程和沉桩速度、基坑开挖深度和开挖过程，周边土体位移等方面的因素。

3.2综合分析方法的准备工作

检测人员首先要了解该工程的概貌，内容包括建筑物的类型、桩基础的种类、设计指标、地质情况、施工单位的素质和工作作风以及建设单位现场管理人员、监理人员的情况等。在检测工作开始以前，应借阅基础设计图纸及有关设计资料、工程地质勘察报告、桩基础的施工记录、建设单位现场管理人员、监理人员的现场工作日志等。对于预应力混凝土管桩，还应注意收集以下资料：

（1）产品质量检验资料。管桩运到工地后，监理施工单位应对进入工地的所有管桩的规格、型号、尺寸、外观质量、尺寸偏差、管桩堆放及桩身破损情况等进行全面检查。同时，检测单位应对进入施工场地的管桩进行随机见证抽样检测。 （2）施工记录资料。收集沉桩过程中建设单位、监理单位等根据随机抽查已截下的桩头，对钢筋数量、钢筋直径、预应力钢筋抗拉强度、钢筋布置、端板尺寸及钢筋保护层厚度等进行检测的相关记录。收集沉桩过程中建设单位、监理单位等对闭口桩尖的钢板厚度、桩尖尺寸、焊缝质量等进行检测的相关记录。在深厚饱和软土中沉桩，当布桩密集时，应收集沉桩施工过程中对桩顶标高变化的监测记录。

（3）施工验收资料。收集工程桩顶标高检验的相关记录，收集开挖基坑中对工程桩的外露桩头或在桩孔内进行桩身倾斜度检测的相关记录。有条件时尚可收集监理等相关单位逐根对工程桩的桩孔内壁进行灯光照射目测或孔内摄影检查，观察孔内是否渗水、渗泥、进土，有无明显破损、错位、挠曲等现象，并作详细记录，注明发现缺陷的位置以及进水、渗泥、进土深度的相关记录。 3.3综合分析方法的具体实施

除了通过实测波形直观判读缺陷反射外，还需注意以下事项：工程质量的总体印象；异常桩的数量和总体比例；桩的承载性状，抗压、抗拔、水平力为主，或是多种承载工况；地质状况有无异常和敏感问题，如淤泥层；施工记录有无异常；问题桩所在的承台桩的数量及所在的位置；施工工艺和在所在地区使用的可靠性；是否因土方开挖导致损坏；桩位，是否倾斜；是否可以排除预制桩的接桩反射等。数据曲线最好由检测人员来分析，因为检测人员对现场的检测环境了解比较全面，同时对被测桩的整体质量和现场测试信号有一个可靠的认识，能做到科学客观地分析。 4.工程实例

上海松江某工程，由10余栋高层、小高层住宅组成。桩基础采用预应力混凝土管桩。在基坑开挖时，发现部分区域工程桩的外露桩头出现明显

倾斜，最大倾角接近30°。根据轴线复核数据，个别工程桩的水平位移达2.4m。结合倾斜桩的分布区域、勘察报告、施工记录、基坑监测报表等技术资料综合分析，估计很大原因是施工单位在开挖塔吊基础时没做围护。塔吊基础开挖时邻近基坑并没有同步进行，最大高差约7.5m，加之场地较差，导致土体滑移，将工程桩推歪。

作为一种常规检测方法，低应变法以其采集快速、方便、费用低廉等得到了普遍的应用。有关方面决定采用低应变法对工程桩进行100%普测。但是，令人疑惑的一幕出现。外露桩头出现明显倾斜，桩孔内腔肉眼目测可发现桩身上部明显倾斜甚至扭曲。可是，无论在桩的受压一侧还是受拉一侧采集多个动测信号，采用手锤还是力棒激振，低应变动测曲线并没有出现明显的缺陷反射。即便对动测曲线进行滤波、指数放大等处理，还是难以发现缺陷反射。典型的90号、91号、92号3根工程桩，波速为4200m/s，外露桩头明显倾斜15°～20°，对应的动测曲线见图1。

图1典型动测曲线

单凭动测曲线，疑似缺陷反射信号的幅值并不大，而且缺陷的位置似乎应为上、下节桩间的焊接接头位置，动测曲线中缺陷反射完全可能是上、下节桩间焊接接头的正常反应。同时，疑似缺陷位置与土体滑移面不一致，与推测的断裂位置（6～8m）不一致，确实没有任何理由可以判定为Ⅲ、Ⅳ类桩。但是如果检测人员勉强判定为Ⅲ、Ⅳ类桩，理由似乎不那么充分，而且无法判定缺陷深度。对于后续的工程处理并没有多大的参考价值。这些事实都充分说明了对于预应力混凝土管桩，低应变完整性方法的适用性值得商榷，检测人员应清醒认识到低应变方法的局限性。

抽取部分基桩进行孔内摄像检测，发现绝大多数抽检桩在桩顶下6～8m处明显弯曲，甚至扭曲，但是在管桩内腔观测到的裂缝并不明显，只有个别抽检桩出现轻微的渗水或渗泥。可见，与预制方桩等非预应力桩相比，尽管桩身发生了明显的水平位移，但是预压应力的存在使得裂缝宽度往往不明显，桩身并没有出现阻抗的明显变化界面。

若不采用综合分析方法，单凭检测信号判定为Ⅰ、Ⅱ类桩，待上部结构施工完毕，在竖向荷载的偏心受压作用下，横向裂缝会逐渐扩展，桩身结构承载力会受到极大的削弱甚至会造成桩身折断，从而造成严重的安全事故。为了慎重起见，针对这一现象，有关方面决定进行补桩处理。 5.预应力管桩综合分析方法

针对管桩低应变时域、频域信号中缺陷反射不明显的典型问题，有人提出了运用小波理论等多种方法，有效地解决低应变法识别桩身细微裂缝的技术难题。但是鉴于低应变对于管桩存在天生、固有的缺陷与不足，单凭信号处理的技术手段是难以轻易解决的。

概括地讲，预应力管桩存在5个特殊性：一是环形截面，薄壁结构，并非一维杆件；二是理论研究不够深入，平截面不成立；三是预应力高强混凝土，脆性破坏，抗剪性能差；四是预应力钢棒，耐久性要求；五是万一上下节桩间错位，荷载不能正常传递。笔者结合十几年的工作经验与切身体会，若采用低应变法检测桩身完整性，建议应符合以下规定：

（1）检测的最佳时间是刚打入土体不久、桩周受扰动土的固结还没有完成、土阻力比较小的时候。土阻力比较小，反射波的能量衰减就小，测得的信号清晰，提高了曲线分析的准确度和可靠度。

（2）检测在填芯之前进行，否则桩身存在很大的截面阻抗变化，易导致误判。同时，填芯内的插筋不可避免地会对实测信号曲线带来干扰，从而影响对结果的正确判断。

（3）抗拔桩、以桩身强度控制设计的抗压桩、高层建筑基桩及倾斜度＞1%的桩应全数检测。在基坑开挖中如发现土体位移或机械运行影响桩身倾斜度时，应加大检测量。

（4）出现裂缝和缺陷的永久结构的抗拔桩，或以承受水平力为主的桩应判定为Ⅲ类或Ⅳ类桩。

（5）桩身的混凝土受损及桩身出现斜裂缝或垂直裂缝的受压桩应判为Ⅲ类或Ⅳ类桩。

（6）桩身出现轻微缺陷的受压桩宜先判为III类桩，最终判定桩的类别时，应挖开浅部的缺陷进行检查核对，结合低应变波形判别评价。挖开检查时，当裂缝长度小于桩截面周长的1/3且为水平裂缝时，可将相似波形的桩改判为Ⅱ类桩。挖开检查的桩不应少于3根。挖开检查困难时，应结合桩顶偏位、桩身倾斜率、孔内目测、岩土工程条件及施工情况等综合判定，仍有疑问时，应判为Ⅲ类桩。 （7）查明缺陷位置与桩身接头位置的关系，审慎判定桩身接头附近的缺陷性质。确认接头焊缝质量存在轻微缺陷时，对受压桩可判为Ⅱ类桩。当接头附近桩身存在缺陷时，应按前述要求进行判别。

（8）倾斜桩检测时，一般只有水平向土压力与桩的自重，上部结构的竖向荷载并没有施加。预压应力的存在使得裂缝的开展并不明显。桩身完全有可能并没有出现裂缝、断裂等明显的阻抗变化界面。但是，正常使用时，上部结构的竖向荷载一旦施加，偏心受压的二阶效应会造成裂缝逐渐开展，以后随着地下水的进入，会对内部预应力钢棒造成腐蚀，竖向承载力与耐久性的明显降低，甚至桩身折断。对倾斜率＞3%的桩不应使用，判定为Ⅳ类桩；对倾斜率为1%～3%的桩判定时应慎重[6]。

（9）对于地下车库等抗拔桩、挖土不当等造成的倾斜桩，鉴于桩身缺陷对上部结构安全性的影响更为显著，风险更大，宜从严判定。

（10）对于在施工过程中曾经发生较大位移或变形的桩，可能已经做过纠偏等处理，低应变检测时已经复位，但是桩身发生缺陷的几率较大，宜从严判定。 （11）管桩对竖向裂缝引起的反射波不明显。对于横向裂缝，管桩自身具有的特殊性可以判断缺陷反射，但其缺陷的反射程度不如实心桩突出。在曲线分析时，应根据管桩裂缝时域响应特点，加大判罚尺度，尤其是竖向裂缝。

（12）对于预应力管桩，接缝使低应变穿透性大大降低，且低应变冲击能量沿桩身衰减比高应变明显，使低应变对长摩擦桩，尤其是多节预应力管桩的中下部缺陷不敏感。另外，考虑到桩土刚度比，低应变最大检测深度一般≤30倍桩径，对于一般桩径的管桩而言，查明缺陷的深度≤20m。因此，采用低应变检测超长预应力管桩完整性意义不大，条件允许时应更多的采用高应变法。

（13）在按规范对检测结论进行评定的同时，对类似的不确定的情况应本着科学的态度，结合其他方法的检测结果进行综合评定，或提出进一步检验的建议。在没有把握的情况下，宁可不判。现场条件许可时，宜采用开挖、高应变、孔内摄像等多种方法进行综合分析判定。要想得到准确的检测结果，除了需要检测人员耐心细致工作和技术水平提高外，也需要采用合适的验证方法。

（14）对于因挖土、机械行走等原因造成桩身出现明显倾斜、扭曲的管桩，在低应变检测时，受检桩只有水平向土压力作用，但是预压应力的存在，使得裂缝的开展并不明显，桩身完全有可能没有出现裂缝、断裂等明显的阻抗变化界面。由于混凝土本构关系的非线性，桩的波阻抗是应力水平的函数，桩身完好系数β与试验应力水平相关，用接近工程桩承载极限状态的高应变试验评价桩身完整性更合理。 6.结语

综上所述，在预应力混凝土管桩施工过程中，由于低应变法检测预应力管桩存在的诸多局限性。因此，在工程施工中，检测人员要掌握有关的勘察、施工、监理及设计等资料，在此基础上，去伪存真，由表及里地综合判断，才能得出合理的结论。 参考文献

[1]低应变法检测混凝土灌注桩完整性的探讨[J].王四清.中国科技博览,2015,(12).

[2]桩基低应变完整性检测的分析研究[J].刘立,杨立飞.城市建设理论研究（电子版）,2016,(1).

[3]低应变法在桩基缺陷检测中的应用[J].张喜华.建筑工程技术与设计,2016,(13).