桩基础的测试与检测(动测)

基桩动测试验20世纪80年代以来，我国的基桩动测技术得到了飞速发展。基桩的动力测试，一般是在桩顶施加一激振能量，引起桩身的振动，利用特定的仪器记录下桩身的振动信号并加以分析，从中提取能够反映桩身性质的信息，从而达到确定桩身材料强度、检查桩身的完整性、评价桩身施工质量和桩身承载力等目的。♣按照测试时桩身和桩周土所产生的相对位移大小的不同。基桩的动力测试又可分为低应变法和高应变法。♣基桩的低应变动测试验♣基桩的高应变动测试验桩基的低应变动测基桩的低应变动测就是通过对桩顶施加激振能量,引起桩身及周围土体的微幅振动，同时用仪表量测和记录桩顶的振动速度和加速度，利用波动理论或机械阻抗理论对记录结果加以分析。目的：检验桩基施工质量、判断桩身完整性、判定桩身缺陷程度及位置等。低应变法具有快速、简便、经济、实用等优点。低应变法基桩动测的方法很多，本节主要介绍在工程中应用比较广泛、效果较好的反射波法。桩基的低应变动测桩身完整性：反映桩身截面相对变化－桩径、连续性－桩长、断桩、短桩。缺陷判别：是否有利于承载力提高扩径不是缺陷组合手锤反射波法埋设于地下桩的长度要远大于其直径，因此可将其简化为无侧限约束的一维弹性杆件，在桩顶初始扰力作用下产生的应力波沿桩身向下传播并且满足一维波动方程（桩长远大于直径、且入射波长大于桩的直径）：22222xuctu弹性波沿桩身传播过程中，在桩身夹泥、离析、扩颈、缩颈、断裂、桩端等桩身阻抗变化处将会发生反射和透射，用记录仪记录下反射波在桩身中的传播的波形,通过对反射波曲线特征的分析即可对桩身的完整性、缺陷的位置进行判定，并对桩身混凝土的强度进行评估。反射波法在桩顶锤击力作用下，产生一压缩波，此波以波速c沿桩身向下传播。假定桩的材料沿长度不变(即rc不变)，则桩的阻抗变化仅依赖截面积的变化,截面的任何变化都使部分入射波产生反射。ACEAZCrC为桩的声波速度E为桩的弹性模量r为桩的质量密度rc为桩的声特性阻抗或声阻碍抗率桩的广义波阻抗用力敲击桩顶,产生一种沿桩身向下传播的力波(下行波),如桩身没有缺陷,此应力波传至桩底再反射回来至桩顶,如图1所示;如桩身有缺陷则入射波在缺陷位置有反射波和透射波,反射波直接返回桩顶,透射波继续传播至桩底再产生反射波返回桩顶。应力波在波阻抗减小桩中的传播TVL桩截面减小入射波与反射波同相桩底反射应力波在波阻抗减小桩中的传播TVL桩缩径缩径反射，与入射波同相扩径反射，与入射波反相桩底反射应力波在波阻抗增大桩中的传播TVL桩扩径扩径反射，与入射波反相缩径反射，与入射波同相桩底反射，与入射波同相低应变所能检测到的现象低应变不能检测到的现象检测设备用于反射波法桩基动测的仪器一般有传感器、放大器、滤波器、数据处理系统以及激振设备和专用附件等。（1）传感器传感器一般可选用宽频带的速度或加速度传感器。（2）放大器放大器的增益应大于60dB，长期变化量小于1%，折合输入端的噪声水平应低于3μv，频带宽度应宽于1Hz～20kHz，滤波频率可调。（3）激振设备激振设备应有不同材质、不同重量之分，以便于改变激振频谱和能量，满足不同的检测目的。目前工程中常用的锤头有塑料头锤和尼龙头锤，锤柄有塑料柄、尼龙柄、铁柄等，柄长可根据需要而变化。一般说来，柄越短，则由柄本身振动所引起的噪声越小。当检测深部缺陷时，应选用柄长、重的尼龙锤来加大冲击能量；当检测浅部缺陷时，可选用柄短、轻的尼龙锤。检测方法反射波法是在桩身顶部进行竖向激振产生弹性波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身阻抗存在明显差异的界面(如桩底、断桩和严重离析等)或桩身截面积变化(如缩径或扩径)部位，将发生反射波，经接收放大、滤波和数据处理可以识别来自桩身不同部位的反射信息，据计算桩身波速，以判断桩身完整性、估计混凝土强度等级并校核桩的实际长度。检测方法۞对被测桩头进行处理，凿去浮浆，平整桩头，割除桩外露的过长钢筋；۞接通电源，对测试仪器进行预热，进行激振和接收条件的选择性试验，以确定最佳激振方式和接收条件；۞对于灌注桩和预制桩，激振点一般选在桩头的中心部位；对于水泥土桩，激振点应选择在1/4桩径处。۞为了保证传感器与桩头的紧密接触，应在传感器底面涂抹凡士林或黄油。当桩径较大时，可在桩头安放两个或多个传感器；۞为了减少随机干扰的影响，可采用信号增强技术进行多次重复激振，以提高信噪比；۞为了提高反射波的分辨率，应尽量使用小能量激振，并选用截止频率较高的传感器和放大器；۞由于面波的干扰，桩身浅部的反射比较紊乱，为了有效地识别桩头附近的浅部缺陷，必要时可采用横向激振水平接收的方式进行辅助判别；۞每根试桩应进行3～5次重复测试，出现异常波形应立即分析原因，排除影响测试的不良因素后再重复测试，重复测试的波形应与原波形有良好的相似性。速度传感器加速度传感器传感器耦合黄油耦合橡皮泥耦合口香糖耦合使传感器与桩头粘合在一起，要求越紧越好检测结果的应用☼确定桩身混凝土的纵波波速（已知桩长）C－桩身纵波波速（m/s）；L－桩长（m）；tr－桩底反射波到达时间（s）。rtLC2检测结果的应用☼评价桩身质量反射波形的特征是桩身质量的反应，利用反射波曲线进行桩身完整性判定时，应根据波形、相位、振幅、频率及波至时刻等因素综合考虑。（1）完整桩的波形特征完整性好的基桩反射波具有波形规则、清晰、桩底反射波明显、反射波至时间容易读取、桩身混凝土平均纵波波速较高的特性，同一场地完整桩反射波形具有较好的相似性。检测结果的应用（2）离析和缩颈桩的波形特征离析和缩颈桩桩身混凝土纵波波速较低，反射波幅减少，频率降低。检测结果的应用（3）断裂桩的波形特征桩身断裂时其反射波到达时间小于桩底反射波到达时间，波幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射。（4）扩径桩的波形特征扩颈桩桩身混凝土纵波波速较低，反射波幅减少，频率降低。检测结果的应用3）确定桩身缺陷的位置与范围（已知桩身纵波波速）桩身缺陷离开桩顶的位置L′L′──桩身缺陷的位置（m）；tr′──桩身缺陷的部位反射波至时间（s）；c0──场地范围内桩身纵波波速平均值（m/s）。0'21CtLr检测结果的应用桩身缺陷范围是指桩身缺陷沿轴向的经历长度。桩身缺陷范围可按下面的方法计算：l──桩身缺陷的位置（m）；△t──桩身缺陷的上、下面反射波至时间差（s）；Ｃ′──桩身缺陷段纵波波速（m/s）。'21tCl缺陷类别离析断层夹泥裂缝空间缩颈纵波速度/ms-11500～2700800～1000＜600正常纵波速度桩身缺陷段纵波速度TVLL1L2T1T2T3T4整桩平均波速C：C=2L÷（T4－T1）扩径位置L1：L1=C×（T2－T1）÷2扩径范围（L2－L1）：（L2－L1）=C×（T3－T2）÷2检测结果的应用4）推求桩身混凝土强度混凝土纵波波速与桩身强度关系混凝土纵波波速/ms-1混凝土强度（等级）＞4100＞C353700～4100C303500～3700C252500～3500C20＜2700＜C20低应变检测的优点•快速检测方法（50-200根/日）•准备简便•操作简单•经验丰富低应变检测的局限•不能提供单桩承载力•对小缺陷灵敏度不高•无法检测桩底沉渣检测结果的应用桩身质量评定A类桩：波形规则衰减，无缺陷反射波存在，桩底清晰，波速正常，桩身完好。B类桩：波形规则衰减，存在轻度缺陷反射波，桩身有小缺陷，桩底可分辩，波速正常。可以作为工程桩使用。C类桩：波形存在严重的缺陷反射波，桩底反射不易识别，波速偏低，性质量较差。作为工程桩使用需采取处理措施。D类桩：波形存在严重的缺陷反射波，且多次重复反射，波无法向下传播，无桩底反射，为废桩。基桩的高应变动测基桩高应变动测就是在动测过程中利用外力使桩身产生较大的位移，进而可以对桩身的质量和其承载能力进行判断。高应变动测常用的方法有锤击贯入法、波动方程法等。锤击贯入法是指用一定质量的重锤以不同的落距由低到高依次锤击桩顶，用力传感器量测桩顶锤击力Ｑd，用百分表量测每次贯入所产生的贯入度ｅ，通过对测试结果的分析，判断桩身缺陷，确定单桩的承载能力。锤击贯入法试验装置1―自动脱钩器2―锤3―锤垫4―力传感器5―桩帽6―桩7―百分表8―动态应变仪9―记录基桩的高应变动测在桩基工程的实践中，人们早已从直观上认识到同一场地、同一种桩在相同的打桩设备条件下，桩容易打入土中时，表明土对桩的阻力小，桩的承载力低；不易打入土中时，表明土对桩的阻力大，桩的承载力高。因此，打桩过程中最后几击的贯入度常作为沉桩的控制标准。这就是说，桩的静承载力和其贯入过程中的动阻力是密切相关。这就是用锤击贯入法检验桩基质量、确定桩基承载力的客观依据。基桩的高应变动测锤击贯入试验时，在软粘土地中可能使桩间土产生压缩，在粘土和砂土中，贯入作用会引起孔隙水压力上升，而孔隙水压力的消散是需要一定时间的，这都会使得贯入试验所确定的承载力比桩的实际承载力降低；在风化岩石和泥质岩石中，桩周和桩端岩土的蠕变效应会导致桩承载力的降低，贯入法确定的单桩承载力偏高。单桩极限承载力锤击贯入法和静载荷试验对比曲线基桩的高应变动测锤击贯入法对桩身缺陷，尤其是对桩身深部的轻度缺陷反应并不敏感。同时，这种方法对确定灌注桩缺陷类型、规模时的适用性远不如其它检测方法。因此，利用锤击贯入法检测桩身缺陷，需十分谨慎。桩身缺陷判别Osterberg试桩法迄今为止，传统的静载荷试桩法仍被认为是确定单桩极限承载力的最直观、最可靠的方法。然而长期以来，静载荷试验的装置一直停留在压重平台或锚桩反力架之类的形式上，试验工作费时、费力、费钱，因此人们常力图回避做静载荷试验，甚至出现了单桩承载力越高，越不愿意做静载荷试验的倾向，以致许多重要的建（构）筑物的大吨位基桩往往得不到准确的承载力数据，基桩的承载潜力不能得到有效的发挥。另外，由于工作条件限制或者承载力过大，某些特殊的桩墩，难于进行单桩的静载荷试验。Osterberg试桩法针对静载荷试验存在诸多不便，人们一直试图寻找一种更方便、更有效的测试方法。一种新的测定桩基承载力的思路很早就被提出：将千斤顶放置在桩的下端，向上顶桩身的同时，向下压桩底，使桩的摩阻力和端阻力互为反力，分别得到荷载～位移曲线，叠加后得到桩的Q～S曲线。这种方法的优点是节省时间，节约经费，受到工程界的广泛欢迎；另一方面，该法又可以分别测出桩的摩阻力和端阻力与上下位移间的关系曲线。便于分别考虑这两种承载力，明确两种承载力的发展过程。这对桩基础进行可靠度设计时考虑和确定分项系数也是十分重要的。Osterberg试桩法（自平衡试桩法）该方法由Osterberg(1989)所开发，并且得到了快速和极大的发展。所以，又以Osterberg试桩法闻名于世。Osterberg试桩法由于其加压装置简单，不需压重平台，不需锚桩反力架，不占用施工场地。试验方便，费用低廉，节省时间，且能直接测出桩的侧阻力和端阻力，近10年来该法已在美国许多州广泛使用。美国深基础协会(DFI)为此授予Osterberg教授以“杰出贡献奖”，并称试桩已进入“Osterberg新时期”。该方法已成为多国专利，并已在英、日、加拿大、菲律宾、新加坡等国及我国香港、台湾等地应用。Osterberg法的试验装置(以钢管桩为例)(a)试验装置(b)钢管桩顶部装置(c)荷载箱被推开1―活塞2―顶盖3―箱壁4―输压竖管5―芯棒6―密封圈;7―输压横管8―压力表9，10，11―百分表12―基准梁由于作用力与反作用力相等，Osterberg法所施加的荷载为传统试桩法桩顶荷载的一半。•Osterberg法与传统静载试验法的差异在于：•传统静载试验法加载作用于桩顶，桩侧土阻力自上而下地发挥，桩侧作用力方向上桩身自重起到压力作用，在高荷载水平下，桩侧阻力与桩端阻力同时发挥，可以通过试验发现桩顶下桩身浅部混凝土质量缺陷，可以直接测定单桩竖向极限承载力值供设计使用或作为评价工程桩性能；•而Osterberg法将荷载箱设置在靠近桩端的桩身混凝土中，千斤顶作用力向上（桩端亦受到反作用力），桩侧阻力是自上而下逐渐发挥，桩侧作用力方向向