高应变法与低应变法在PHC管桩试验中的应用

叶树茂

PHC（pre-stressedhigh-strengthconcrete）即预应力高强度混凝土，管桩即空心圆筒状的桩。PHC管桩打入地下后，埋在土里部分的桩基质量无法直观地看出来，而桩基的好坏直接影响上部结构的稳定性，如果上部结构建好了才发现桩基有问题，那就很难补救了，所以必须在建设上部结构以前准确判别桩基质量。检测桩基质量的方法有很多，主要分为现场静载荷试验和动力测桩试验两大类，前者可以准确得到基桩的承载力，但花费时间多、费用大，而后者虽不能直接得出基桩承载力数据（CASE法拟合是间接法），但能获取桩身质量丰富信息，检测时间短、费用低，不仅可作为静载荷试验的有效补充，甚至有望代替静载荷试验，因此本文对高应变法与低应变法在PHC管桩试验中的应用进行了分析。

1高应变法与低应变法的异同与优劣

1.1高、低应变法的异同

首先，高应变法与低应变法都属于动力测桩试验，两者有相同的理论基础，均为利用反射纵波探测桩身缺陷的方法。通过一维直杆波动理论，可得出以下波动方程：

式中，为桩身弹性模量，为桩身质量密度，为土对桩身的总阻力（包括静阻力和动阻力），为桩身截面积，为桩身受轴向力时产生的位移，为产生位移的时间，为桩身位置参数。

高、低应变法均适用公式（1），所以两者本质上是一致的。

其次，高应变法与低应变法又有明显差别。高应变法是利用重锤冲击桩顶，实测桩顶附近或桩顶的速度和力时程曲线，击桩方式包含了锤击贯入法、波动方程法和静动法，能同时对单桩竖向抗压承载力与桩身完整性进行判别[1]，其脉冲周期大约在十几到几十ms之间，应变量级大约在10-3～10-4级别。低应变法采用轻锤冲击桩顶，利用安装在桩顶的拾振器实测速度时程曲线或力时程曲线，只能判断桩的完整性[2]，其脉冲周期一般不超过1ms，应变量级大约在10-5～10-6级别。由于两者在冲击能量、波频方面的差异，导致它们在波速、衰减特性、缺陷定位、缺陷程度判定等方面存在差别。

1.2高、低应变法的优劣

首先，低应变法对基桩缺陷的定位精度更高。这是因为缺陷定位精度与入射波的频率有关，低应变法激发波频比高应变法的波频高10倍。对于高应变法来说下行入射波与上行缺陷反射波会发生严重重叠，从而影响缺陷定位的精度，特别是桩身浅部缺陷甚至误差可能达几m，而低应变法因频率低，盲区半径小，定位误差一般不超过0.5m。

其次，高应变法判断缺陷的可靠性高。这是因为高应变法穿透能力强，可以抵达低应变法可能无法到达的桩身中下部，也就是能识别低应变法不能识别的深部缺陷。常常出现这样的情况，低应变法评价桩身完整，而高应变法发现存在桩身缺陷。通常，当桩身上部存在严重缺陷时，低应变法基本上不能再发现桩身下部的缺陷了，因上部的严重缺陷已对低应变法形成屏蔽。

第三，高应变法能确定单桩极限承载力，从而可以代替静载荷试验。这是因为重锤锤击桩顶产生的冲击脉冲能使桩土之间产生永久位移，从而可以激发出桩端阻力和桩侧阻力。利用CASE法或波动曲线拟合法。通过软件CASE法可实时得到承载力分析结果，而波动曲线拟合法需要多次修改参数测定值才能得到满意的拟合效果[3]。

2高应变法与低应变法在PHC管桩试验中的应用

2.1高应变法在PHC管桩试验中的应用

采用高应变法对PHC管桩检测桩身完整性和单桩极限承载力，可按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）相关规定，所选仪器设备应符合9.2节的要求，现场检测应符合9.3节及附录F规定，检测数据分析与判定应符合9.4节规定。但仍应注意以下问题：（1）第9.2.5条规定，锤重与单桩竖向抗压承载力特征值的比值≮0.02。同时第9.2.6条规定，混凝土桩桩长大于30m时，应考虑由于桩长增加引起的桩-锤匹配变化，即需增大锤重。PHC管是挤土桩，加大桩径，桩身截面增大，所以土的阻抗也有所增加，桩径较大时桩-锤匹配能力也应有所提高。此外，还应考虑地质因素，不同土层的弹限实际上是有差别的，弹限越大的土层需要越重的锤体。（2）采用曲线拟合法时对拟合质量数的选择。拟合质量数是评价曲线拟合效果的一个参数，但并非唯一参数，也就是说拟合质量数小不代表拟合效果一定好。因为实测波形的影响因素有多种，例如桩-土模型与实际情况的差异，波在桩身材料中的传播速度受频率影响等。所以，拟合时应先合理选择各项参数，然后再使拟合曲线在测试曲线上正负均衡分布，还应使拟合贯入度与实测贯入度保持一致，在这个基础上再尽量使拟合质量数减小，这样获得的拟合效果才是最好的。（3）前面已讨论过高应变法对浅部缺陷可能无法判断，因为入射波与反射波重叠。所以，应将高应变法与低应变法结合起来检测，或在高应变法之前先采用低应变法检测浅部是否有缺陷，然后再用高应变法来检测。

2.2低应变法在PHC管桩试验中的应用

采用低应变法检测PHC管桩桩身完整性，可按JGJ106-2014第8章的相关规定进行。（1）第8.3.3条规定，传感器用耦合剂粘结时粘结强度要足够。实际上，粘结层还应尽可能薄，粘结层太厚可能影响信号质量。另外，安装点与激振点平面应垂直，同时激振点尽量接近安装点，这样有利于消除两点之间信号时间差，易于保证信号质量。（2）波速取值一般基于地区经验，不同地区的波速取值通常没有借鉴意义，缺乏经验时可在现场找到一节完整的PHC管桩进行试验，摸索出合理的波速作为桩身缺陷检测的依据。（3）PHC管桩的连接一般采用手工电弧焊，焊接质量好也不能让两节PHC管桩之间完全闭合，所以接头位置一般波阻抗会发生突变，在用低应变法检测时应与缺陷反射波进行鉴别。（4）在做低应变法检测时应该多次锤击，所得波形应具有良好的重复性，并且桩底反射明确、波形光滑、波形回归基线，否则应查找原因。（5）由于低应变法穿透性比较差，为了避免误判，应与高应变法结合起来，防止漏掉缺陷。

2.3高应变法应用案例

该工程位于广东省惠州市惠城区水口镇某商住楼小区，采用直径500mm的PHC管桩，桩长10～15m，承载力特征值为1200kN。桩顶以下依次为素填土、粉粘土、淤泥质土、强风化泥质粉砂岩（持力层）。共检测87根桩，有部分桩在桩底附近有异常，例如107号桩动测承载力为1784kN（曲线拟合法）。经分析由于连日降雨，持力层粉砂岩遇水软化，另外桩密集，打桩时有浮桩现象。复打后承载力达到2543kN（曲线拟合法）。

3结语

高应变法与低应变法各有所长，也各有所短，虽然高应变法功能更强，但对缺陷位置的判断不如低应变法准确，尤其浅部缺陷往往不易检测，因此在PHC管桩检测过程中应将两者结合起来，以获得更多有用的信息，使检测结果更可靠。

参考文献：

[1]刘元辉.高应变法在基桩检测中的应用及实例分析[J].广州建筑，2015,43(4)：27-30.

[2]刘豪杰.低应变法检测基桩完整性的局限性研究[J].工程质量，2015,33(8)：51-54.

[3]刘军，徐磊，原力智.浅谈如何提高高应变法测试的实测曲线质量[J].资源环境与工程，2018,32(2)：288-290.