基桩检测技术的研究现状与展望

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桩基动力检测技术目前应用较广的包括高应变 法和低应变法

机械阻抗法、动力参数法、水电效应法、共振法等。 其中应力波反射法在桩身质量检测中应用最广泛， 主要用来检查桩身完整性，检查缩径、扩径、夹泥、断 桩、空洞、离析、沉碴，并核对桩长、推算砼强度。本 文主要介绍低应变反射法。应力波反射法是以应力 波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方 法。该方法将桩假定为连续弹性的一维截面均质杆 件，并且不考虑桩周土体对沿桩身传播应力波的影 响。当在桩顶施加一瞬态锤击振力，将在桩内激发 应力波，由于桩与周土之间的波阻抗差异悬殊，应力 波的大部分能量将在桩内传播，当桩长L》桩径D， 应力波波长入》D时，桩可以看作一维杆件，应力波 在桩内传播可以采用一维杆波动方程计算。垂直人 射的应力波在桩内传播过程中，当桩内存在有波阻 抗差异界面时，波将产生反射波和透射波，反射波将 沿桩身反向传播到桩顶，而透射波继续向下传播， 桩身的缺陷、桩底均可以根据反射波的相位、振幅、 频率特性，辅以地层资料、施工记录以及实践分析经 验，对其性质做出确切的判断[]。 应力波反射法动力测桩，以其测点广、经济、快 捷、无损等诸多优点，成为目前人们所公认的桩基质 量检测的有效方法，但也存在着缺点和不足。（1)桩 周土层对波形曲线的影响，在对桩基测试曲线进行 分析时，要充分考虑到桩周土层对所采集波形曲线 的影响。在桩基动测中，检测人员往往注意到桩本 身的子波叠加而引起的缺陷判断，而忽略了应力波 在桩中传播时，不仅受桩身材料、刚度及缺陷的影 响。桩周土层的土力学性能越好，应力波在桩周土 层中的损耗就越大。同时受桩周土层的模量大小的 影响。在硬土层处将会产生为似扩径的反射波，在

软土层处将会产生由于应力波透射损耗小而产生似 缩径的反射波。如果不考虑桩周土层对所采集曲线 的影响，不了解桩侧的土质情况，有时会造成误判； (2)较难识别桩身浅部的缺陷，因为无论大桩还是小 桩，桩顶近端都不可以完全套用一维应力波理论，应 该用三维效应展开讨论7；（3)缺乏对缺陷程度的 定量分析。应力波反射法靠单一的波形特征，要想 定量给出离析段厚度、沉碴厚度、裂隙宽度及缩径程 度的准确值是不可能的；(4)第二缺陷的判断。当第 一缺陷较大时，阻断了信号的上行与下达，给深部缺 陷和桩底的识别增加了困难，特别是当第二缺陷为 第一缺陷的两倍时更难以识别；（5）渐变的缺陷。对 于桩径缓慢变大然后突然缩径的桩，在曲线上往往 不能分辨出扩径现象而只看到缩径现象，对于这种 突变的桩，在曲线上表现为缩径的信号。

高应变动力测试是通过在桩顶量测被激发的阻 力产生的应力波和速度波，来确定承载力的。目前 工程界应用最广泛的高应变法是CASE法和波形 拟合法。 CASE法是一种通过一维波动方程计算而获得 岩土对桩的支撑阻力的方法。它有三条基本假定： 桩身是等阻抗的；桩周与桩尖土对桩的运动阻力分 为动阻力和静阻力两部分，动阻力全部集中在桩尖， 忽略了桩侧土阻力；静阻力模型为理想刚塑性体，忽 略了应力波在传播过程中的能量损耗，包括桩身中 内阻尼损耗和向桩周土的逸散。基于以上三条基本 假设，由行波理论和波动方程推导出CASE法单桩 极限承载力公式。公式中有一个很重要的参数就是 Jc，它是地区性经验系数，土质不同，Jc凭经验取值 的变异性会很大。 波形拟合法目前被认为是确定单桩承载力最准 确的方法。它是通过现场把实测力波和速度波输入 计算机进行选代计算，把桩一土系统变为离散的质 弹模型，假定各单元桩和土参数，以实测的桩顶速度 波（或力波）作为边界条件，用特征线法求解波动方 程，反算桩顶力波（或速度波)，使计算的波形和实测 波形拟合。若两者不吻合，调整桩土参数，再次计 算，直至吻合。此时各参数是最佳估算值。最终求 得承载力、侧阻分布和计算的Q一S曲线[。 高应变法也存在着一些局限性。（1)CASE法 适用于打入桩的施工过程检测和监控，或者在具有 定的经验基础上，用于评定工程桩的验收合格性。 但该法的假定条件与基桩施工的实际条件差别较 大，首先，假设桩身等阻抗，这对钢桩、预制桩和预

周兴平：基桩检测技术的研究现状与展望

应力管桩在桩身无缺陷的情况下基本适用，而对灌 注桩是难以达到；其次，假设动阻力完全集中于桩 尖，而实际情况是随着桩的相对位移，桩侧必然产生 动阻力，只是相对较小而已；再次，假设静阻力模型 为刚塑性体，即桩一旦被打动，则静阻力马上达到极 限值，这也与实际不符。CASE法测桩，必须在桩被 打动的前提下，充分发挥土的全部静阻力，并从波形 上正确判断桩尖的反射位置，选用恰当的阻尼系数 Jc才可比较准确地确定单桩极限承载力。而Jc值 的选取，不但与桩尖土的类别有关，而且与桩的阻抗 有关，由此可见，对桩身有缺陷的桩，CASE法确定 单桩极限承载力很不可靠。这也就决定了CASE 法只适用于钢桩、预制桩和预应力管桩的测 试[10,11]。（2)波形拟合法虽然和CASE法一样，也 是在柴油锤冲击材质均匀、强度较高、侧面光滑的钢 管桩、预制桩等基础上建立起来的，它不象CASE 法那样严格要求贯入度和侧面光滑与截面的一致 性，但当桩间土变形不够充分时，承载力同样偏于保 守。而且它假定桩周土体内无变形存在，也极不合 理。桩土间的理想弹塑性模型和牛顿粘性体模型与 灌注桩、预制桩等桩型存在较大出入。（3)高应 变动力测试数据采集质量直接关系到计算结果的准 确性。正确采集信号是良好结果的前提条件。影响 采集信号的因素很多，如桩头处理的好坏、锤击位置 及能量大小、传感器安装、外界干扰、仪器本身性质 等。

声波透射法是利用声波的透射原理对桩身混凝 土介质状况进行检测，因此仅适用于在灌注成型过 程中已经预理了两根或两根以上声测管的基桩。 声波透射法根据波在介质中的传播方式分为横 波超声波法和纵波超声波法。基桩声波透射检测通 常的振源是纵波脉冲产生的。被检测桩在桩身的1 根埋管中放人发射换能器、另1管中放人接收换能 器。基桩的声波透射法检测是根据桩体内确定的埋 管间距，测试2管间声波的传播声时、振幅、频率等 声学参数对桩体进行分析，其中声速为检测分析的 主要指标.声速的确定如下

超声波速； ? 埋管的间距； t一一声时。 从实测的声速特征可以反应所穿透的混凝土介

质特性的变化。由(1)式得出，波速小，混凝土强度 相对较低；相反，当波速较大，混凝土强度增加·据此 判断桩身完整性、缺陷位置及缺陷程度。 振幅测量的目的是比较超声波在混凝土内传播 时能量的变化情况。振幅分析是根据检测仪的显示 屏幕所接收的首波波幅进行分析。波幅的高低反应 超声波穿透混凝土能力的强弱。在发射声波能量不 变的情况下，接收的波幅高说明声波能量的衰减小， 反映混凝土质量较好；反之，当接收波波幅明显较低 时，说明桩身混凝土介质吸收波的传播能量强，反映 出混凝土强度较低，存在缺陷。通过对振幅的对比 可以发现桩身存在的缺陷和缺陷的程度。 频率测量是量测接收信号第一个波的周期，再 按频率值是周期的倒数的关系计算而得。如果波形 畸变，测得频率的误差就较大。 声波透射法检测桩身质量，即利用声时、振幅， 频率3个声学参数来综合分析、判断桩身的完整 性[13]

虽然上述桩基检测技术在各种桩基检测工程中 得到了广泛的应用，取得了巨大的社会效益和经济 效益母线槽安装(2019版)，但我们也应该清楚地看到，各种桩基检测技术 都还存在一些问题。 为了解决这些问题，一方面，要不断改善已有仪 器的硬件性能和质量，并努力开发出新的仪器，另一 方面，要加强对桩基检测技术理论的研究工作，寻求 更精确的物理模型。 对于基桩检测信号的分析处理方面，把现有的 桩基检测方法和当今的一些先进的信号分析方法结 合起来，将是一个非常重要的研究方向。 小波分析方法是一一种窗口大小固定但形状可改 变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析 方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低 的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率 和较低的频率分辨率，所以被称为数学显微镜。小 波变换对不同的频率在时域上的取样步长是调节性 的，即在低频时小波变换的时间分辨率较差，而频率 分辨率较高；在高频时小波变换的时间分辨率较高， 而频率分辨率较低，这正符合低频信号变化缓慢而 高频信号变化迅速的特点。这便是它优于经典的傅 立叶变换和短时傅立叶变换的地方。 我们可以通过选择合适的小波基函数对原始信 号进行小波分析，实现信号时频分解，区分出不同物

理本质的信号成分，结合场地条件分辨有效信号与 干扰信号，再通过对"噪声"时段及频段的抑制，可以 实现信号消噪，改善信号质量，从而提高桩基检测资 料分析水平[14.15]。 人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork，简 称ANN)是在物理机制上模拟人脑信息处理机制的 信息系统，它不但具有处理数据的一般计算能力，而 且还具有处理知识的思维、学习、记忆能力。它采用 类似于”黑箱"的方法，通过学习和记忆而不是假设 找出输入、输出变量之间的非线性关系，在执行问题 和求解时，将所获取的数据输人给训练好的网络，依 据网络学到的知识进行推理，得出合理的答案。 如果将小波分析作为神经网络的前置处理手 段，从基桩检测信号小波变换的分量中提取特征，最 后将这些特征输入人工神经网络进行训练和分类， 则可进而实现基桩质量智能化的分类和缺陷的诊 断[16]