低应变反射波法—江苏省交通厅培训

江苏省交通厅工程质量监督站基桩检测培训低应变反射波法曹建编著南京南大工程检测有限公司二○○九二月国内低应变法遵循的规范、规程一、交通部发布1、公路工程基桩动测技术规程（JTG/TF81-01-2004）2、港口工程桩基动力检测规程（JTJ249-2001）二、建设部发布1、建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）2、城市工程地球物理探测规范（CJJ-2007）三、铁道部发布1、铁路工程基桩检测技术规程（TB10218-2008）•公路工程基桩动测技术规程（JTG/TF81-01-2004）低应变反射波法一、适用范围（目的）1．本方法是通过分析实测桩顶速度响应信号的特征来检测桩身的完整性，判定桩身缺陷位置及影响程度，判断桩端嵌固情况。原理：桩顶锤击力产生下行压缩波，桩身某处波阻抗发生变化时产生上行反射波。广义讲，桩身某处截面波阻抗降低，表现为反射波与入射波相位相同，如夹泥、离析、蜂窝、洞、缩颈甚至断裂；反之相反，如扩颈。通过反射波相位特征来判断桩身缺陷的具体类型具有一定困难。因此本方法在应用中应结合工程地质资料、施工技术资料（异常情况）、桩型、施工工艺等资料，通过综合分析来对桩身的缺陷及类型作出定性判定。影响程度：根据缺陷的位置、地质条件（指桩周土情况）、桩的尺寸（桩身材料本身承受力大小）和承载力性状（摩擦桩还是端承桩）、桩型基础和上部结构形式等设计条件。桩端嵌固情况：对嵌岩桩，往往有桩身材料与岩基广义波阻抗相接近，使得在时域曲线上桩端反射不明显或基本无反射信号。这时就应结合地质资料和实测曲线来判断桩端嵌固情况。（1）对灰岩、花岗岩、闪长岩、强度高的砂岩，对短桩（40m），有桩端负相反射波，就是无沉渣，有桩底反射就是有沉渣。（2）对泥岩、砂质泥岩有强烈桩底反射，有沉渣，不明显的桩底反射不要判有沉渣，必要时钻芯核验。2．本方法适用于混凝土灌注桩和预制桩等刚性材料桩的桩身完整性检测。反过来理解：不能检测水泥土等非刚性桩，也不能用于混凝土竹节桩、变直径（挤扩置盘桩，树根桩），建设部JGJ106-2003规定，对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩，不适用。3．使用本方法时，被检桩的桩端反射信号应能有效识别（限制条件）。这一条不准确（工作中大部分桩没有桩端反射信号）①嵌岩桩②有效检测长度问题：建设部JGJ-2003:由于受桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素的影响，应力波从桩顶传至桩底再从桩底反射回桩顶的传播为一能量和幅值逐渐衰减过程。若桩长（或长径比较大）或桩身截面阻抗多变或变幅较大，往往应力波尚未反射回桩顶甚至尚未传到桩底，其能量已完全衰减或提前反射，致使仪器测不到桩底反射信号，而无法评定整根桩的完整性。在我国，若排除其他条件差异而只考虑各地区地质条件差异时，桩的有效检测长度主要受桩土刚度比大小的制约。因各地提出的有效检测范围变化很大，如长径比30-50、桩长30-50m不等，故本条未规定有效检测长度的控制范围。具体工程的有效检测桩长，应通过现场试验。对于最大有效检测深度小于实际桩长的长桩，尽管测不到桩底反射信号，但若有效检测长度范围内存在缺陷，则实测信号中必有缺陷反射信号。因此，低应变反射波法仍可查明有效检测桩长范围内是否存在缺陷。③铁道部TB10218-2008规范规定：低应变检测桩长一般不超过40m，超过40m现场试验确定；按照《关于做好客运专线铁路基桩检测工作的通知》（铁建设函[2006]464号），结合郑西客运专线工程对桩长大于50m的基桩共336根组织开展了声波透射法与低应变法两种检测方法的对比试验工作。2008年5月12日在北京召开了铁路工程基桩检测技术标准有关问题讨论会。会议采用了“专家会审”的方法对郑西客运专线桩长大于50m的336根桩基声波透射法与低应变法两种检测方法对比试验原始波形逐根进行了分析，对低应变法原始波形按桩底有明显反射、桩底反射不明显、桩底没有反射三种情况分类，并以波形反射深度判定低应变法可检测的有效桩长。分析结果表明：有桩底反射共33根占总数9.8%,桩底反射不明显共63根,占总数18.8%,无桩底反射共240根,占总数71.4%。若将桩底反射不明显与无桩底反射汇总后达到303根，占总数90.2%。与会专家同时又对声波透射法检测出的77根缺陷桩对应的低应变法检测波形进行了会审，会审发现低应变法对其中37根基桩缺陷进行了判定，其缺陷最大深度为39m。而缺陷位置最大深度在40m以上的共38根，低应变法均无法测到。根据以上情况会议讨论认为：桩长不大于40m时采用低应变法检测准确率高，当桩长大于40m时采用低应变法检测准确率低。同时认为影响低应变法检测的因素较多，除桩长以外，还与地质条件、长径比、检测技术等因素有关。为了确保低应变法检测的准确性和可靠性，本规程规定低应变法检测的桩长一般不大于40m，对于桩长大于40m的基桩能否采用低应变法检测应经现场试验确定。④从曲线形态特征；二、检测仪器与设备1．检测系统包括信号采集及处理仪、传感器、激振设备和专用附件。2．信号采集及处理仪规定（1）数据采集装置的模-数转换器不得低于12bit。（2）采样间隔宜为10～500μs,可调。（3）单通道采样点不少于1024点。（4）放大器增益宜大于60dB，可调，线性度良好，其频响范围应满足5Hz～5kHz。3．传感器的性能规定（1）传感器宜选用压电式加速度传感器或磁电式速度传感器，频响曲线的有效范围应覆盖整个测试信号的频带范围。（2）加速度传感器的电压灵敏度应大于100mV/g，电荷灵敏度应大于20PC/g，上限频率不应小于5kHz，安装谐振频率不应小于6kHz，量程应大于100g。（3）速度传感器的固有谐振频率不应大于30Hz，灵敏度应大于200mV/cm·s-1，上限频率不应小于1.5kHz，安装谐振频率不应小于1.5kHz。评述：目前基桩动测所使用的传感器主要是压电式加速度传感器，它无论是从频响还是输出特性方面均有较大的优点，更适合于低应变反射波法测桩。港口工程桩基动力检测规程规定不得使用速度传感器。4．激振设备的规定根据桩型和检测目的，激振设备采用不同材质和质量的力锤或力棒，以获得所需的激振频率和能量。三、现场检测技术1．检测前准备工作（1）进行现场调查，搜集工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等，了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况，明确被检测桩号。①搜集工程地质资料了解桩和桩周土的刚度比大小、桩侧土阻尼大小、影响波形特征、影响检测深度，采取适当的措施，帮助正确地进行波行分析。②基桩设计图纸：了解桩型、设计砼强度、承载力、基础类型，分析缺陷影响程度时参考。③施工记录和监理日志：了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况，做到有的放矢，最终尽可能正确地分析出缺陷的类型。④明确被检测桩号：不能张冠李戴，造成被动。（2）根据现场实际情况选择合适的激振设备、传感器及检测仪，检查测试系统各部分之间是否连接良好，确认整个测试系统处于正常工作状态。①激振设备：力锤、力棒；锤头或锤垫材料选用工程塑料、高强度尼龙、铝、铜、铁、锤垫用橡皮；锤的质量从几百克到几十千克。②激振设备选择：根据检测对象，短桩和浅部缺陷的桩，选用刚度较大的锤，产生的入射波的脉冲较窄，频率较高，分辨率高。缺点：能量衰减快，检测深度小。长桩和深部缺陷的桩，选用刚度较小的锤，入射波的脉冲较宽，频率较低，传播距离较大，检测深度大。缺点：分辨率较低，较小缺陷发现不了。（3）桩顶应凿至新鲜混凝土面，并用打磨机将测点和激振点磨平。桩顶面条件的好坏直接影响测试信号的质量和对桩身完整性判定的准确性，要求被检桩的桩顶面混凝土质量、截面尺寸与桩身设计条件基本相同，并且干净无积水。①灌注桩有低强度的浮浆将直接影响到传感器的安装及锤击所产生的弹性波在桩顶部分的传播，因此必须清除干净，以露出干净的混凝土表面为准。②预应力管桩：当法兰盘与桩身混凝土之间结合密实时，可不进行处理，若有松动和破损现象，必须用电锯截除，不可凿除；③检测前将被检测桩顶部与相邻的垫层或承台断开，避免因垫层或承台连接造成波的散射，使波形复杂化。④测点和激振点磨平问题。（4）应测量并记录桩顶截面尺寸。目的①确定检测点数②帮助分析判断（5）混凝土灌注桩的检测宜在成桩14d以后进行。建设部和铁道部规定：至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa.（6）打入或静压式预制桩的检测应在相邻桩打完后进行。1、会对周围产生不同程度的挤土效应，严重的将会引起土体隆起和接桩部分脱焊；①基坑开挖造成土体应力释放、土体2、基坑开挖后检测位移桩倾斜、断裂；②开挖过程中，机械对桩的破坏。①避免超灌部分的质量3、应在桩顶设计标高检测问题造成误判②后期开挖桩头处理对桩身的破坏2．传感器安装规定（1）传感器的安装可采用石膏、黄油、橡皮泥等耦合剂，粘结应牢固，并与桩顶面垂直。传感器安装的好坏对采集信息的影响很大，粘结层应可能薄。传感器底面与桩顶应紧密接触，不得用手接触传感器，在信号采集过程中不得产生滑移或松动。（2）对混凝土灌注桩，传感器宜安装在距桩中心1/2～2/3半径处，且距离桩的主筋不宜小于50mm。当桩径不大于1000mm时不宜少于2个测点；当桩径大于1000mm时不宜少于4个测点，激振点与传感器距离：①本规程：1/2～2/3半径处；②建设部：不宜小于半径1/2；③铁道部：宜为2/3半径；④港口规范：不宜小于100mm。（3）对混凝土预制桩，当边长不大于600mm时不宜少于2个测点；当边长大于600mm时不宜少于3个测点。注意：水运工程方桩的特殊情况。（4）对预应力混凝土管桩不应少于2个测点。3．激振时的规定（1）混凝土灌注桩、混凝土预制桩的激振点宜在桩顶中心部位；预应力混凝土管桩的激振点和传感器安装点与桩中心连线的夹角不应小于45°。（2）激振锤和激振参数宜通过现场对比试验选定。短桩或浅部缺陷桩的检测宜采用轻锤短脉冲激振；长桩、大直径桩或深部缺陷桩的检测宜采用重锤宽脉冲激振，也可采用不同的锤垫来调整激振脉冲宽度。（3）采用力棒激振时，应自由下落；采用力锤敲击时，应使其作用力方向与桩顶面垂直。4．检测工作规定（1）采样频率和最小的采样长度应根据桩长和波形分析确定。采样点数不少于1024点，采样间隔为10-500μs。对于时域信号，采样频率越高，则采集数字信号越接近模拟信号，越有利于缺陷位置的判别。一般在保证测得完整信号（（2L/C+5ms.）≤1024×Δt），选用较高采样频率，较小采样间隔。（2）各测点的重复检测次数不应少于3次，且检测波形具有良好的一致性。（3）当干扰较大时，可采用信号增强技术进行重复激振，提高信噪比；当信号一致性差时，应分析原因，排除人为和检测仪器等干扰因素，重新检测。（4）对存在缺陷的桩应改变检测条件重复检测，相互验证。位置仪器人员四、检测数据分析与判定1．桩身完整性分析宜以时域曲线为主，辅以频域分析，并结合施工情况、岩土工程勘察资料和波形特征等因素进行综合分析判定。2．桩身波速平均值的确定（1）当桩长已知、桩端反射信号明显时，选取相同条件下不少于5根Ⅰ类桩的桩身波速按下式计算其平均值：•式中cm——桩身波速平均值(m/s);•Ci——第i根桩的桩身波速计算值（m/s）；•L——完整桩桩长（m）；•ΔT——时域信号第一峰与桩端反射波峰间的时间差(ms)；•Δf——幅频曲线桩端相邻谐振峰间的频差（Hz），计算时不宜取第一与第二峰；•n——基桩数量（n≥5）。11nminicc==∑210002LiTcLf×Δ==Δ×（2）当桩身波速平均值无法按上款确定时，可根据本地区相同桩型及施工工艺的其他桩基工程的测试结果，并结合桩身混凝土强度等级与实践经验综合确定。铁路工程基桩检测技术规程。4.4.2条说明表注意：预制桩在空气中测得速度要比在土中测得的速度高。3．桩身缺陷位置按下列公式计算•式中x——测点至桩身缺陷之间的距离（m）；•Δtx——时域信号第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms）；•Δfx——幅频曲线所对应缺陷的相邻谐振峰间的频差（Hz）；•C——桩身波速(m/s)，无法确定时