基桩检测的试验方法及其基本原理

基桩检测的试验方法及其基本原理

东台市金铭建设工程质量检测有限公司  江苏省盐城市  224200

随着时代的发展，人们对生活和居住环境的需要日益增强，大量的楼房拔地而起。为了使建筑物或构筑物能更好的承受结构及上部各种荷载的作用，大量使用桩基础。

近年来，各种新型桩的设计、施工工艺等应运而生，为保障工程的施工质量，确保建设工程的有序推进，基桩检测工作愈发起到重要的作用。

基桩是指桩基础中的单桩。按照不同的方式分类可以大致分为：摩擦型和端承型、挤土型和非挤土型、大直径和小直径等，甚至细分为预制型和非预制型。这么多的类型，它们的使用条件、施工工法等都不尽相同。为了了解或者更加方便直观的去思考检测过程中的问题，我们一般规定基桩的力学模型即：符合一维弹性波动理论的均匀杆件。这一重要的假设条件也将几乎贯穿整个基桩检测各方法的思考与运用。从现代土力学之父太沙基通过简单模型揭示有效应力理论开始，很好示范了一个较好的力学模型是往往解决一些列复杂问题的完美切入点。可见合理的假设条件是解决工程中实际问题的基础，也是十分必要的。

对工程桩而言，要达到预期的使用效果首先要满足承载力的要求。当施工过程中桩身存在某些缺陷时可能使桩身完整性达不到相应工程质量的要求，进而影响到设计承载力的发挥甚至影响工程的安全性。因此，基桩质量检测时，承载力和完整性两项密不可分。下面，我们对这两个方面分别探讨。

一、承载力

设计上对于不同受力要求的桩而言，承载力能力可分为竖向和水平受力，竖向受力又分为竖向抗压和竖向抗拔承载力。

竖向抗压承载能力的构成分为侧阻力和端阻力两个方面。由于承受上部结构带来的重力由基础传至基桩，使基桩产生变形和位移使桩身承载力逐步的发挥。首先是上部摩阻力先发挥，其次是下部摩阻力和端阻力发挥。侧摩阻力的发挥其根本上也是桩周土的抗剪强度发挥作用，其值的大小与桩周土的性质、固结程度、桩径大小、桩长成桩质量等有关系。端阻力的发挥一般是在桩与桩周土产生相对移动后发生的，其值的发挥主要与端土的性质所决定，还和桩径的大小有关。根据侧阻力和端阻力所贡献承载力的比值不同，分为摩擦型和端承型桩，这里与前文分类相互应。

那么，究竟如何在试验检测中定义基桩的极限承载力呢？通过大量的试验表明，当桩顶位移到达40~60mm时，即认为其承载能力得到了充分的发挥。一方面为了与结构设计中不超过40mm的建筑物沉降量要求统一；另一方面与大直径桩(直径大于等于800mm)沉降控制0.05D的要求相衔接。需要注意的是，这里的充分发挥是留有余量的，目的是保障整个建筑物的稳定性、可靠性。

竖向抗拔承载力的贡献 分两个部分：一是桩的自身重力；二是桩周土阻力的发挥情况，此处桩周土的摩阻力根据不同长径比l/d把抗压侧阻力乘以相应抗拔系数λ得到。由于其特殊的受力关系(如右图)，工程中也经常把抗拔桩做成底部有扩大部分的形式，根据资料研究有效扩大部分的影响范围可达4~10d。考虑到竖向抗拔过程中会引起桩身的弹性变形和由于试验设备在张拉过程中产生的位移错动，桩端的最大位移量规定为100mm。因此，这里与竖向抗压桩的沉降限制是不同的。为了保证试验过程的安全性，试验的终止荷载还和桩受拉钢筋强度标准值相互应以控制试验。

竖向抗压和抗拔试验除了上述的试验特点，它们还有一些共同点：一是检测时机，即其时间所需要的休止期，根据其周围土质的不同其受剪切破坏后再固结的时间也不同；二是检测时间，因为桩在实际工作条件下受力的特征是长期的、缓慢的、递增的作用，当然试验时间也不能是一蹴而就的。这是都是因为两者有共同的受力模型所决定的。

水平受力桩的承载力大小与刚度和其一定入土深度范围内的约束条件有关，还与抗弯刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的如土深度等有关。总结大量试验后发现，水平受力桩不能继续承载的主要表现为两个方面：一是桩身出现裂缝，继而断裂破坏。二是桩身虽未断裂，但是其侧向的移动引发桩侧土体的塑性隆起，也认为是不具备继续承载的状态。前一种情况往往配筋率较低(ρ<0.65%)，承载力主要受桩身强度控制；后一种情况配筋率较高(ρ≥0.65%)，承载力主要受桩的位移控制。

根据水平试验受力的特点，其桩侧土水平抗力系数的比例系数m值的大小与桩水平承载力息息相关。而且，m对于同一根桩也并非定值，与荷载成非线性关系：在低荷载水平下，m值较高；随荷载增加，桩侧土的塑性区扩展，m值变低。特别是在无静载试验资料时，对于不同配筋率的桩m值的选择方式也是不同的：对低配筋率(ρ<0.65%)的桩按计算；对高配筋率的桩则应根据桩侧土体类别、桩型、单桩在地面处的水平位移、长期荷载效应等综合确定，这是由于水平受力桩的承载机理决定的

单桩水平静载试验，除了应用在竖向荷载试验的单循环加卸载法，常用的还有单向多循环法来模拟其实际受力状态。

二、完整性

一根桩的使用条件离不开其完整性的保证，承载力和完整两个呼应成对。大量的试验表明基桩施工中的缺陷对于结构的使用安全是影响巨大的，基于工程要求，完整性试验对保证工程质量来说是十分必要的手段，完整性检测可分为低应变法、高应变法、声波透射法、钻芯法等。前面三张属于间接法，是基于应力波理论对一维杆件力学模型的分析推导得出的。

应力波理论也可称作弹性波动理论，当外荷载作用固体物质表面时收到外力后一系列原本静载的质点产生相对位移，由于杆件是连续的，必将导致相邻质点的相对运动使它们离开平衡位置开始牵连移动。根据均匀杆件的连续模型经过一系列的数学变换得到一维波动方程的数学模型：，它表示了纵波在传播过程中，位移与时间的关系是线性的连续关系。

①低应变法

低应变的现场试验是典型应力波理论和一维弹性杆件的结合应用。图示(右图)很形象的描绘出现场试验的过程，利用小锤击打使桩顶产生振动波，使纵波沿桩身传播，在传播过程中遇到阻抗变化位置产生反射和透射波：反射波经放置在桩顶的传感器捕获信号传输值设备端，然后设备对采集的信号进行信号转换、放大增益、傅里叶变换等一系列处理使之变成可读取的波动信息，反射至桩顶的信号再一次全反射沿桩身再次向下传播；透射波沿着桩身继续传播至下一有阻抗变化的位置，再次产生反射和透色现象，如此反复。要想现场采集到能客观反映实际情况的曲线还要明确以下几点：

1、阻抗的变化。基于对基桩一维杆件的假设，桩身全断面的阻抗是均一的、没有变化的。由应力波理论可以得到相位的变化信息，即阻抗变小处的信号反射与入射首波相位相同、其后多次的信号反射也保持同相位；阻抗变大处的信号反射与入射首波相位相反，其后偶数的信号反射相位与首波相位相同、奇数的信号反射相位与首波相位相反。

2、对长径比和波长的规定。因为应力波在由桩顶传至桩底再反射回来的过程中会有部分能量散耗和幅值的衰减，一定的激励时间段内波反射的次数越多其衰减程度也就越大，再加上“尺寸效应”的作用这部分作用进一步被扩大。在桩土刚度比较大情况下为了保证尽量得到有效信号故桩径比的选择不应过小为宜。通常为满足波传播时满足一维杆的平面假定规定波长与杆的横向尺寸之比λ/D≥10。

3、锤头材质与激振能量的选择。短波长、窄脉冲的信号衰减快，适用于对浅部缺陷的判别；长波长、宽脉冲的信号衰减慢，适用于对深部缺陷的判别。现场试验中，短桩尽量选择能激励出窄脉冲的较硬材质锤头；长桩尽量选择能激励出宽脉冲的较软材质锤头。为了能保证信号接收的有效，对于大直径长桩应合理的增加锤重以匹配其有足够的激励能量。

除了以上几点，在进行低应变法试验时还应认识到：对于异型桩低应变法是不适用的；对于桩身的完整性只作定性的判断，桩身多变的灌注桩因为“纵向尺寸效应”、幅值衰减等原因需要辅助其他方法判别；对混凝土桩而言其桩头材质、桩头尺寸应与桩身保持一致；为让检测结果全面反映桩身完整性和减小尺寸效应的影响，合理的选择激振点布置(见右图)等。鉴于以上的各种性质，想要测出能反映真实情况的信号还需要结合工程情况进行大量联系。

低应变法是一种成熟且被广泛应用的完整性试验，它以其便于操作、周期性短的独特优势成为对工程桩大范围普查的重要手段。

②高应变法

高应变检测法是一种兼具判定单桩竖向抗压承载力和桩身完整性的方法。

高应变检测技术是从打桩公式中逐渐演变而来的。最初，工程技术人员为了监测打入式桩施工中各部分的应力，发明了运用行波特点的变化查看桩打入过程中各位置的拉、压应力，来选取合适的锤击能量大小和施工工艺的方法。由于混凝土材质受力特性，抗压强度是比抗拉强度高出一个数量级的，为了避免施工过程中桩被“拉坏”，锤重的大小一直都是不可被忽视的重要因素。在高应变技术变的逐渐成熟以后，又对落锤形式、落锤距离，尽量使锤击高度做出“重锤低击”使桩顶产生较长持续时间荷载作用的改变。

与低应变相同，高应变的力学模型也是在遵从一维弹性杆件的理论上建立起来的。不同的是，高应变是一种“打动”的试验，即要求试验使桩顶产生一定贯入度，目的是使静阻力得到发挥。通过大量试验表明，一般情况下桩顶的合适贯入度控制在6mm以内，这是因为过高的贯入度造成周围土体剪切后进入塑性状态、抗剪强度变小，试验得出的承载力小于实际承载能力；贯入度太小又打不动桩头，不能使桩端阻力得到有效发挥。

高应变数据的现场采集是通过加装在桩顶部的一对加速度传感器和一对应变式传感器，通过重锤击打桩顶来获得激励信号。所得到的是F、ZV信号，这组信号有效性的前提有以下几点：

1、锤重、落距正确。

锤重和落距确定了最大力F，也提供了要使桩头被“打动”的能量。根据波动理论可视作锤为一刚体，桩顶处的最大锤击应力则与锤击时速度有关，落距越高，锤击应力和偏心也越大。较大的锤击压应力还会使桩身出现较强的反射拉应力，如果锤头较轻产生的窄脉冲会在桩身处叠加会使桩身某处被拉裂，这是我们不愿意看到的。

2、传感器合理的量程范围。

因为检测过程中环境较差，高应变检测往往不具备多次落锤的条件。传感器的测量范围太大则信号反应不成比例，太小则造成信号失真。所以合适的量程范围是保证试验有效进行的重要保障。

3、尽量减少偏心的影响。

由于高应变传感器都是在桩侧对称安装的，其量测的有效信号必须是其时程曲线内有归零趋势的。当锤击偏心时，造成一侧应变偏大另一侧应变偏小，并随着应变量的增加，割线模量变小，最终使应变处理后的信号不归零，信号失真。

4、锤垫的正确选择。

桩垫目的也是为了减少偏心和避免应力集中击锤桩头。对桩垫硬度和厚度也是有要求的，太软可能激励信号不充分；太硬则达不到分散应力的效果，厚度太厚也会使其产生压缩变形而减小锤击的效果。一般选取1-3cm的木板为宜。

高应变数据的分析经历了打桩公式、Case法、Smith法、实测曲线拟合法的过程。总的来说，是由直观分析到模型建立再到模型趋于完善的过程。现阶段的分析基本采用实测曲线拟合法，它是采用一种把桩身所有质点分成多个带有粘滞作用且能传力应力的块，每个块之间的链接是靠行波的信号。其过程是：假定各单元的桩土模型参数，利用采集的速度信号曲线作为边界条件，解波动方程，反算桩顶的力曲线。若解得的力曲线与实测的力曲线不吻合，则应调整相关模型参数再次计算，直至吻合。通常这个计算过程需要多次试算，每一次的试算都考验着分析人员对工程地质条件、不同岩土性状、承载力发挥机制的理解，往往最终拟合的结果也并非唯一解。这个求解过程并不是单一的，还可以由力信号、上行波信号、下行波信号等开始向速度信号、下行波信号、上行波信号求解。

高应变试验的完整性结果是定量的分析。它是基于在获取到高质量的信号基础之上的，根据信号特征读取不同深度土阻力的发挥得出公式，即桩身完整性系数，表示桩身某处截面阻抗与其上桩身截面阻抗的比值。

高应变法是在建立模型、信号采集、理论求解都正确的基础上得出的数学解它所求解到的结果在不同场合下很可能是不同的。相比之下，由于受力模型更见简便、利于分析等特点，这种方法应用在预制桩的检测中更广泛。

③声波透射法

声波透射法是一种通过埋设在桩身的声测管之间发射并接受声波，通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，对桩身完整性检测的一种方法。这一特点决定了其独有的优势：检测结果的不确定性大大的降低，特别是在甄别灌注桩的工程质量时优点更为突出。

试验开始前，需在通长埋设的声测管内注满清水。在调整好仪器参数、记录现场各参数后，将换能器放置桩底由桩底部开始试验。为使信号符合基桩的均一性假设条件，在试验开始时应试采，为的是统一各剖面放大倍数、调整合适的首波信号方便后续的分析。试验过程中，保持发射与接受换能器同步提升，声测线的间距不宜过小，为保证信号的稳定，提升速度不宜大于0.5m/s。

试验结束后，对所测剖面的所有测线信息采用数理统计的方法确定异常值。根据声学参数的不同特点逐一说明：

1、声时、声速

两个测点间距离相对恒定，声时、声速它们是相互成对的。混凝土声波试验中大致认为声速和混凝土质量一样是服从正态分布的，这样一来，用概率统计的方法能够得到有效的临界值和较为安全的声速判据从而保证其测试数据的可靠性。因此，声速是分析桩身质量的一个重要参数。

2、主频率

频率信号主要是反映声波在混凝土中传播的衰减程度。混凝土出现的缺陷越强烈，主频率的漂移也就越大。在声波信号上的显示为趋于一条直线，这是很容易在软件上读取的。

3、波幅

波幅是对缺陷的反映是最为敏感的。但其与声速的波动服从正态分布不同，它并不遵循一定的离散特征，这一点从其临界值的取值也可以看出：；。所以采用波幅判据时通常建立在桩身的信号采集在相对均匀的范围内。

4、PSD

PSD定义为声时-深度曲线上相邻两点连线的斜率与声时差的乘积。相当于对声时、声速判据变化进行了放大。由于其有着对缺陷反应敏感、减少因声测管不平行等非缺陷因素的误差，通常作为辅助判定依据起到了很好的作用。

为了辅助和验证，还有钻芯法试验等等。这些试验都是直观的、确切的，甚至是更加可靠的，因为基桩的受力模型决定其与天然地基有着明显不同（天然地基的抗剪强度往往与其所在应力状态有很大的关系，而基桩的受力中桩身结构承载力占很大一部分），所以钻芯法是直观判定桩身完整性的重要依据。

总之，基桩检测的承载力和完整性密不可分。要想做好基桩的检测工作不仅要求检测人员对一些岩土的基本机理有所掌握，还要有大量的实践操作得以保证。由于检测中存在着抽样的随意性、试验的结果离散性等问题，如果没有足够的理论和实践基础很难做出一个合理的判断。

参考文献：

[1]建筑基桩检测技术规范 JGJ 106-2014.

[2]建筑基桩技术规范 JGJ 94-2008

[3]土力学-李广信(张丙印)-清华大学.