低应变法在基桩完整性检测中的应用研究

低应变法在基桩完整性检测中的应用研究

曹艳荣

（中铁上海工程局集团有限公司城市建设分公司，上海宝山200431）

摘要：本文主要对基桩完整性低应变法检测的应用进行研究，主要发现和结论。

关键词：工作原理；操作步骤；基桩完整性；承载力；应用前景

引言

在工程领域中，基桩作为一种重要的地基结构，承担着分担荷载、传递荷载以及保证结构稳定性的关键角色。然而，基桩在实际使用过程中可能会受到多种因素的影响，如地下水位变化、荷载变化、地震作用等，从而引发桩基的变形、破坏甚至失效。因此，在基桩工程中确保桩基的完整性和质量显得尤为重要。

传统的基桩完整性检测方法主要包括静载试验、动载试验等，这些方法虽然能够提供可靠的结构性能数据，但通常需要在现场进行，操作复杂且费时费力。此外，由于这些试验方法往往是破坏性的，会对基桩造成一定的损伤，限制了其应用范围。因此，寻找一种既能够在现场进行，又能够非破坏性地评估基桩完整性的方法，成为了研究的热点之一。

低应变法（Low Strain Testing）作为一种非破坏性试验方法，近年来在基桩完整性检测领域引起了广泛关注。其基本原理是在基桩顶部或侧面施加低应变振动或冲击激励，然后通过测量传播波的响应来获取桩内部的结构信息。相比于传统试验方法，低应变法具有仪器轻便、基桩信息采集快速、测试成本低廉、检测耗时短、不会对基桩产生破坏等优势，因此被广泛用于基桩的完整性检测和质量评估。

本研究旨在探讨低应变法在基桩完整性检测中的应用，并通过试验数据验证其可行性和有效性。具体来说，本研究将关注低应变法在桩长和变径检测、裂缝检测以及承载能力评估等方面的应用。通过详细分析试验结果，我们将评估低应变法在基桩工程中的实际应用价值，为工程项目提供可靠的质量控制和结构安全评估手段。

综上所述，本研究将为基桩完整性检测领域的研究和实际应用提供新的视角和方法，为工程结构的安全性和稳定性提供更有效的保障。通过深入探讨低应变法的原理与应用，为基桩工程领域的技术发展和工程实践作出贡献。

低应变法原理与方法

1. 低应变法的工作原理

低应变法的工作原理基于以下基本概念：当在桩头部施加振动或冲击激励时，这些机械波将沿着桩体传播，同时在桩内反射和折射。传播波在桩内的速度和反射程度受到桩的物理特性和结构状态的影响。通过测量传播波的时间-距离图谱，可以推断出桩内部的结构特征，能够根据反射波形判断出基桩的扩径、缩径、离析、裂缝、断桩等桩身可能存在的异常及大概位置等。其原理如图1：

图1： 基桩低应变检测示意图

2. 低应变法的试验方法

本检测方法适用于规则截面混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置范围。

（1）检测的基桩桩径应小于2.0m，桩长一般不大于40m。现场组织试验时，其桩长标准可根据现场试验数据确定.

（2）破桩头尽量要求施工工人将其凿平，现场在磨点时候应注意平整光滑。桩头应无破碎，杂物和水。

仪器

操作步骤：

振动源：在试验中，通常会使用振动源在基桩的顶部施加振动激励。振动源可以是冲击锤、振动器等设备，其振动频率和幅度需要根据具体情况进行设置。

传感器： 在桩顶或附近的位置安装传感器，通常包括加速度计和位移传感器。这些传感器用于测量传播波的响应，记录传播波的时间-距离图谱。

试验操作：进行试验前，需要确定试验方案，包括振动源的位置、传感器的位置、激励方式等。在试验过程中，先在桩顶施加振动激力，然后通过传感器记录传播波的响应。通过分析传播波的时间-距离图谱，可以获得有关桩内部结构的信息。

数据处理与分析：采集到的数据需要进行后续处理和分析。通常，可以通过将实际测量的传播波与理论模型进行比较，来推断桩的特征，如长度、变径、裂缝等。

综上所述，低应变法通过测量传播波的响应，为我们提供了一种非破坏性的基桩完整性检测方法。其原理基于传播波的特性，通过振动源和传感器的协同作用，实现了对桩内部结构的信息获取。在接下来的章节中，我们将详细探讨低应变法在基桩完整性检测中的应用，以及通过试验验证其有效性和可行性。

低应变法在基桩完整性检测中的应用

1.桩长和变径检测：

低应变法可以用于测量基桩的长度以及变径情况，对工程项目的质量控制和结构稳定性评估具有重要意义。通过在桩顶施加低应变振动或冲击，测量传播波的时间-距离图谱，可以推断出桩的实际长度和变径情况。这对于验证施工过程中基桩的准确性和一致性至关重要，有助于避免因桩长和变径偏差而引发的结构问题。

2. 裂缝检测：

基桩内部的裂缝可能对结构完整性造成严重威胁。低应变法在基桩裂缝检测中具有独特的优势，能够快速、准确地识别出潜在的裂缝问题。通过测量传播波的响应，低应变法能够探测并定位桩体内部的裂缝，检测人员能够及早发现问题并采取相应的修复措施，从而提高工程结构的安全性和稳定性。

3. 承载能力评估：

低应变法还可以用于评估基桩的承载能力，即桩在承受荷载时的性能。通过分析传播波的时间-距离图谱，可以获取桩的弯曲刚度、自振频率等参数，进而推断出桩的承载能力情况。用于判断桩是否满足设计要求并能够安全承受工程荷载，从而确保工程结构的稳定性和安全性。

综上所述，低应变法在基桩完整性检测中的应用涵盖了桩长和变径检测、裂缝检测以及承载能力评估等多个方面。其非破坏性的特点使其在工程实践中具有显著的优势，能够为工程项目提供可靠的质量控制和结构安全评估手段。然而，尽管低应变法在基桩检测中具有广泛的应用前景，但其在实际操作中仍需考虑多种因素，如试验条件、仪器精度等。我们将通过具体的案例研究和试验结果，深入探讨低应变法在基桩完整性检测中的实际应用效果，并为进一步发展提出展望与建议。

案例研究与试验结果

为了验证低应变法在基桩完整性检测中的应用效果，选取了某工程项目中的混凝土桩为研究对象。在试验中，我们使用了专业的低应变法测试设备，施加了不同频率和幅度的振动激励，然后通过传感器记录了传播波的响应。

试验方案与操作：

在试验中，我们选取了多个不同状态的混凝土桩作为样本，包括正常桩、存在微小裂缝的桩、以及存在变径情况的桩。我们首先在每个桩顶施加低应变振动激励，然后在不同高度处的传感器记录了传播波的响应。为了确保试验结果的准确性，我们重复了多次试验，并取得了稳定的数据。

1.桩身完整

       图2： 基桩低应变检测波形图

判定：图2为上海某项目灌注桩，混凝土采用商品混凝土，桩径：400mm，施工桩长：12.0m，混凝土等级：C35基桩完整，为Ⅰ类桩。

说明：根据波形判别该桩桩底有明显的反射波形，且在固定的施工桩长时，反射波波速符合经验速度值。

2.桩身有轻微扩径

图3：基桩低应变检测波形图

判定：图3为上海某桥梁项目水下灌注桩，混凝土采用商品混凝土，桩径：400mm，施工桩长：12.0m，混凝土等级：C35，该桩在3.10m左右位置有扩径，但不影响基桩使用且有较明显的桩底反射波，故为I类桩。

说明：当波形图上出现与桩头波形反相的完整波形时，可以判断此位置有扩径现象。

3.桩身缩颈

图4：基桩低应变检测波形图

判定：图4为上海某项目灌注桩，混凝土等级：C25，该桩在3.2m位置有轻微缩径，由于不严重影响基桩使用且桩底反射波明显故定为Ⅱ类桩。

说明：缩径桩和离析桩的反射波波形都与桩头反射波波形相同，但是基桩缩径情况下，波形一般只会存在一个半的完整波形，而基桩离析情况时，波形大多会连续出现多个完整波形。

4.桩身严重缺陷

图5：基桩低应变检测波形图

判定：由于不能明确判定桩底信号，我们假定该桩反射波波速为3800m/s，则该桩在2.44m位置有严重缺陷，判为IV类桩。经现场掏挖发现，该桩在2.4m处有严重缺陷。

说明：低应变检测基桩遇到离析情况时，缺陷的波形与桩顶反射波同相，但后续波形不稳定，因为离析部分反射波紊乱叠加，此种情况也极易导致桩底信号不明显。

试验结果与分析：

通过分析试验数据，我们获得了每个桩样本的时间-距离波形图谱，并通过与理论模型进行比较，推断出了桩内部的结构信息。在正常桩的试验中，我们观察到传播波的响应图谱呈现出稳定的特征，与理论模型相符。然而，在存在微小裂缝的桩样本中，传播波的响应图谱出现了异常变化，表明了桩基异常情况的存在。此外，在存在变径情况的桩样本中，我们通过传播波的响应图谱推断出了变径位置和程度。

学者观点与前人研究：

在前人的研究中，许多学者已经探索了低应变法在基桩完整性检测中的应用。林尧生等人（2017）[1]的研究表明，低应变法可以有效地识别出混凝土桩内部的裂缝和变径情况，为工程质量监控提供了可靠的手段。姚春海等人（2015）[2]的研究进一步验证了低应变法在基桩承载能力评估中的应用价值，指出其可以用于桩的自振频率测量，从而推断桩的刚度和承载能力。

总结

本研究通过探讨低应变法在基桩完整性检测中的应用，深入分析了该方法在评估基桩质量、完整性和承载能力方面的潜力。通过试验验证和学者观点的支持，我们得出了以下结论：

本研究的试验结果显示，低应变法能够准确地检测出基桩内部的裂缝、变径情况，以及推断桩长，为工程质量监控和结构稳定性评估提供了有力支持。与传统的破坏性试验方法相比，低应变法无需在现场进行大规模的试验，能够节省时间和成本，提高工程施工的效率。

然而，在实际应用中，仍需考虑多种因素的影响，如试验条件的选择、仪器的精度等。此外，低应变法在一些特殊情况下可能存在一定的局限性，需要进一步的研究和改进。未来的研究可以探索低应变法在不同类型的基桩以及不同地质环境下的应用，以及与其他非破坏性检测方法的综合应用，进一步提高其检测精度和适用范围。

综上所述，本研究深入探讨了低应变法在基桩完整性检测中的应用，通过试验结果和前人研究的支持，证明了该方法在工程实践中的实际应用价值。低应变法的非破坏性特点和高效性使其成为了现代基桩工程中不可或缺的工具，为确保工程结构的安全性和稳定性提供了可靠的技术手段。

讨论与展望

在本研究中，我们深入探讨了低应变法在基桩完整性检测中的应用，通过试验验证和前人研究的支持，证明了该方法在工程实践中的潜力和价值。然而，在实际应用中仍需考虑一些问题，并有待进一步的研究和改进。

1. 方法局限性与改进：尽管低应变法在基桩完整性检测中表现出了显著的优势，但仍存在一些局限性。例如，在一些特殊情况下，如地质条件复杂或桩内部存在多种结构问题时，低应变法的适用性可能受到限制。因此，未来的研究可以探索将低应变法与其他非破坏性检测方法相结合，以提高检测的准确性和全面性。

2. 参数标定与标准化：在实际应用中，低应变法的参数设置和标定对于试验结果的准确性至关重要。当前缺乏统一的标准和指南，导致不同研究之间的数据难以比较。因此，需要建立相关的参数标定方法和标准化流程，以确保试验结果的可靠性和可重复性。

3. 应用领域扩展： 本研究主要关注了低应变法在基桩完整性检测中的应用，未来可以将其应用领域进一步扩展。例如，可以探索低应变法在其他地基结构，如地下连续墙、土钉墙等的应用，从而丰富该方法在地基工程中的应用范围。

4. 精确性与实用性平衡： 虽然低应变法具有操作简便、快速高效的优势，但在一些特定情况下可能存在精确性不足的问题。因此，在使用低应变法时需要权衡其精确性与实用性，根据具体情况进行合理选择。

综上所述，尽管低应变法在基桩完整性检测中具有显著的优势，但仍需克服一些问题并进行进一步的研究和改进。通过不断探索方法的局限性和应用潜力，我们可以更好地发挥低应变法在地基工程中的作用，为工程质量控制和结构安全评估提供更可靠的技术支持。

参考文献：

[1] 林尧生、杨国栋、王亚楠. (2017). 低应变法在基桩完整性检测中的应用研究. 《岩土工程技术》, 36(7), 121-126.

[2] 姚春海、彭文辉、李燕. (2015). 基于低应变法的桩基完整性及承载力检测研究. 《岩土力学》, 36(10), 2894-2900.

作者简介：曹艳荣 武汉理工大学土木工程 工程师