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如何用反射波法检测基桩完整性?

内容摘要:反射波法适用于检测混凝土桩的桩身完整性,判定桩身缺陷的程度及位置,它属于快速普查桩身质量的一种半直接方法,由于其具有检测速度快、费用低和检测覆盖面广的优点,它已成为基桩完整性检测中应用最为广泛的方法。
      低应变反射波法源于应力波理论,基本原理是在桩顶进行竖向激振,使桩中产生应力波,弹性波沿着桩身向下传播,当桩身存在明显波阻抗界面(如桩底、断裂或离析、夹泥等部位)或桩身截面积变化(如缩颈或扩径)部位,将产生反射波,利用特定的仪器设备经接收、放大、滤波和数据处理,可识别来自桩身不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算,来判断桩身完整性,判定桩身缺陷的程度及其位置。
如何用反射波法检测基桩完整性——西安航天睿博
      反射波法适用于检测混凝土桩的桩身完整性,判定桩身缺陷的程度及位置,它属于快速普查桩身质量的一种半直接方法,由于其具有检测速度快、费用低和检测覆盖面广的优点,它已成为基桩完整性检测中应用最为广泛的方法。

反射波法在实际应用中存在许多问题应引起注意和重视,否则将对基桩完整性检测的效果产生较大的影响。

      1、桩头处理
      在现场信号采集工作中,桩头处理的好坏关系到测试是否能够成功的重要因素,也是测试前需要准备的关键性步骤。在实际工程中,往往由于破桩头不到位,桩顶面存在浮浆或低强度混凝土,此外,在破桩头时很容易使桩顶混凝土出现裂纹或疏松、破碎,有时桩头被水或淤泥等覆盖,所以在检测时必须对桩顶面进行处理,但在大多情况下,很多测试工作人员忽略了这一点,结果无论怎么改变传感器及其安装位置或激振方式,始终得不到理想的信号曲线。因此,桩头应为达到设计标高的有效桩头,必须凿去表面浮浆,处理到有新鲜含骨料的混凝土为止,且桩头不能破碎,含水,不能有杂物,要尽量保证桩头干净,平整。这可以通过随身携带凿子以凿平安装点和锤击点或委托施工方在测试前用电砂轮打磨4至5个小平面,这样有利于传感器的安装和力棒的锤击。

      桩头出露的钢筋笼应以不影响敲击为准,并且高度应适中,否则当小锤敲击桩头时产生的激荡应力波易于在钢筋上产生振荡反射叠加于入射波中,从而影响浅部缺陷波形的识别。

      2、传感器选择与安装
      测振传感器是反射波动测中最基本的重要测试元件之一,它直接与被测桩相连接,将机械振动参量换成电信号,它的性能参数的好坏,直接影响到转换电信号的数据是否真实地反映桩本身的反射信息。现在大家都倾向于选择内装式加速度传感器(ICP),因为这种传感器无电荷放大器约束,频响更宽,由于已变成电压量和低阻输出,对联线要求低,更适合于野外需要。

      传感器的安装对现场信号采集工作影响较大,理论上传感器越轻,越贴近桩面,与桩面之间接触刚度越大,传递特性越好,采集到的信号也越接近桩面的质点振动。

      对实心桩的测试,传感器安装位置宜为距桩心2/3~3/4半径处;对空心桩的测试,锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上,且与桩中心连线形成90°夹角,传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。

      此外,传感器的安装应与桩顶面垂直;用耦合剂粘结时,应具有足够的粘结强度。常用的耦合剂有黄油(稠度高),凡士林,橡皮泥(弹性差油性少粘性强),石膏,牙膏,口香糖等。传感器用耦合剂粘好后,用手指轻弹传感器侧面,若传感器纹丝不动,则说明传感器已安装好,可以进行测试。

      有的测试人员为了测试简便,经常不用藕合剂或少用藕合剂,致使藕合剂的作用减少或消失,导致测试信号振荡很明显,不利于对基桩的分析判断,这样是不可取的。

      3、激振设备与激振点的选择
      激振的目的是在桩头产生一个扰动,从而生成一个沿桩身传播的弹性应力波,而不同频率的应力波沿桩身传播时,具有不同的衰减特性。定性来说,高频分量对细小界面、骨料等反应灵敏,但衰减较快;低频分量在小界面处易产生绕射,但衰减较慢,传播深度相对较大。因此,实际应用中常通过现场敲击试验,如改变手锤重量或激发棒的形状、材料硬度以及在桩头加不同材料的桩垫来达到产生不同频率成分的应力波的目的,以适应对桩浅部和深部缺陷的判断的需要。此外,由于桩顶锤击点产生的应力波实际上为球面波,当沿桩身传播到大于桩径的1.5倍后,方可认为波阵面曲率较小,近似为平面波;并且,激振后还引起沿桩顶水平方向传播的横波、表面波以及由于桩顶材料局部塑性变形、破碎,造成干扰性杂波成分,而这些成分往往幅度较强。以上干扰因素,可通过带通滤波、改善传感器耦合、降低传感器横向灵敏度、选择适当阻尼系数的传感器,以及桩顶处理、调整激发方式来改善。

      反射波测桩时,不能一成不变地使用一种锤头,应准备几种锤头、垫层,依据不同检测目的而选用。对于长大桩测试一般应选择能量大、脉冲宽、频率低的激振方式,如力棒、尼龙锤等,适用于桩底及深部缺陷的检测,但由此很容易带来浅部缺陷和微小缺陷的漏判,可以结合能量小、脉冲窄、频率高的激振方式来判定桩身浅部的缺陷和位置。在某些复杂情况下,可以用高频与低频相结合的方式获取基桩桩身的完整信号,即用低频脉冲波获取桩底反射,再用高频脉冲波检测桩身上部缺陷。

      另外,敲击质量的高低将直接影响到测试结果的优劣,要由经验丰富的熟练工人来操作。敲击时锤要落到实处,干脆利索,锤击方向与桩顶平面垂直,避免二次冲击,达到产生瞬间激发点源,入射脉冲狭窄且符合半正弦规律。

      4、信号采集
      现场信号采集首先要进行仪器参数设置,主要包括采样间隔、采样点数、增益、模拟滤波、触发方式等。

      根据桩径大小,围绕桩心沿桩身对称布置2~4个检测点,每个检测点记录的有效信号数不宜少于3个,以便通过叠加平均提高信噪比。

      应力波反射法所采集的较好波形应该是:

      (1)多次锤击的波形重复性好

      (2)波形真实反映桩的实际情况,完好桩桩底反射明显

      (3)波形光滑,不应含毛刺或振荡波形

      (4)波形最终回归基线

      不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时,应分析原因或产生零漂或信号幅值超过测量系统的量程时,应在检测现场及时研究,排除影响测试的不良因素后重新测试。

      5、桩周土对波形曲线的影响
      在对基桩进行低应变反射波法测试时,要充分考虑到桩周土对采集波形曲线的影响,一般来说,桩侧土力学性质越好,应力波在桩侧土中损耗越大。当桩周土软土层变到硬土层时,采集的波形曲线就会在相应位置处产生类似扩径的反射波;而当桩周土由硬土层变到软土层时,采集到的波形曲线就会在相应位置产生类似缩颈的反射波)。

      如不考虑桩周土对采集波形曲线的影响,不了解基桩所处的地质情况,很容易发生误判。因此,为更好地对桩的质量进行分析和判断,首先必须对测试工地的有关资料进行全面地收集和了解,其中包括收集工地的地质资料,查阅岩土的物理力学指标,弄清土层的分布和走向,特别要了解在基桩长度范围内各地层的含水量、孔隙比、压缩模量、容重、内摩擦角、地基承载力以及侧摩阻力和端阻力的建议值。

      6、波形指数放大的优缺点
      在现场信号采集过程中,桩底反射信号不明显的情况经常发生,这时指数放大是非常有用的一种功能,它可以确保在桩头信号不削波的情况下,使桩底部信号得以清晰地显现出来。但有些测试人员认为它使波形失真,过分突出了桩深部的缺陷,这种观点有一定的道理,过分的指数放大甚至有可能人为地造出一个桩底反射。但是如果结合原始波形,适当地对波形进行指数放大,作为显示深部缺陷和桩底的一种手段,它还是一种非常有用的功能。

      7、滤波、平滑处理与小波分析
      滤波是波形分析处理的重要手段之一,是对采集的原始信号进行加工处理,它是为了将测试信号中无用的或次要成份的波滤除掉,使波形更容易分析判断。在实际工作中,多采用低通滤波,而低通滤波频率上限的选择尤为重要,选择过低,容易滤掉缺陷反射信号,选择过高,又起不到滤波的作用。

      桩基检测中,在确定数字滤波高、低截止频率之前,最好将原始信号进行全频段的频谱分析,然后结合整个测试系统的频响要求,有目的地选择滤波参数。一般情况下,数字滤波的高频截止频率应选择在桩基的高频范围以外,或选择在频谱曲线中第一个干扰频率左侧的低谷处,这样就可以滤掉不需要的或干扰较严重的高频部分。

      当信号中有高频“杂波”时,可以采用平滑将其滤掉。平滑点数越大,则平滑后的波形越“平缓”。平滑点数过大时,有些缺陷信号也会被平滑掉,所以此参数也应适当。

      小波分析是近年来发展起来的一种新的时频分析方法,它在信号处理、图像压缩、语音编码、模式识别、地震勘探以及许多非线性科学领域内获得了巨大的突破,得到广泛的应用。我们将其用于动测信号的分析,可以得到较好的效果。需要设置小波因子(范围为0.1~8.0),该因子越大,则信号越“平缓”。一般小波因子设为1~3之间的数,如果过大,则可能将缺陷信号处理掉,造成误判。

      8、曲线的旋转
      用加速度传感器采集到的信号一般需要进行积分处理,从而获得速度信号,由于漂移特性和土阻力方面的原因,可能自某一点开始出现纯线性漂移,以至于波形负向或正向成分较多,且尾部不归零。此时,一般需要对曲线进行逆时针或顺时针方向的旋转,使曲线自某一点开始增加或减少一偏移加速度,对其进行修正,从而确保曲线的合理性和准确性。

      9、关于“盲区”
      从应力波传播的角度看,实测中手锤对桩顶的敲击可视为点振源,敲击后产生一个半球面波,直到传播到一定深度,球面波才能近似看作平面波,满足平截面的假设。而在此深度之内,应力波传播很复杂,信号干扰严重,理论及实测表明“盲区”范围为测点以下1倍桩径至1/2λ。低应变激振频率约在1000~4000Hz范围内,因此一般测点以下2m之内为反射波法测试的“盲区”。

      由于“盲区”的存在,使基桩本身很浅的部分存在的缺陷被掩盖,所以应该尽量减少“盲区”对测试结果的影响,因此可在实测中通过改变手锤质量、接触面刚度,使用合适的传感器及检测参数,以减小“盲区”的范围,一般可检测到距离测点以下1m左右的较严重的缺陷,再浅的缺陷只能凭经验推测,并且由于缺陷在桩头附近,可通过开挖进行验证。

      10、大直径桩的测试技巧
      在测试大直径灌注桩时,由于浅部缺陷干扰、局部三维效应和表面波影响,往往会产生振荡现象,而且在不同的测点(传感器耦合点)和敲击点获得的信号往往一致性较差。在这种情况下,一般可以利用信号的叠加平均来得到理想的反映桩身实际情况的非振荡信号。固定传感器和敲击方式,进行多次敲击,将各次的测试信号进行平均,一般来说,平均结果可以消除浅部干扰、三维效应和表面波效应,突现理想信号。

      有些公司生产的基桩动测仪,可以在测试时使用叠加采样。

      11、信号振荡的消除
      产生信号振荡的原因是多方面的,传感器耦合不好、敲击设备选用不当、敲击点混凝土疏松或离钢筋太近、桩头外露钢筋过长、桩身浅部存在缺陷都可能产生振荡信号,50Hz干扰也会引起低频振荡。可以利用谱分析来区别不同因素引起的振荡。加速度传感器测试信号中是否有振荡应在积分成速度后观察。

      在现场测试时如果出现振荡信号,应该首先检查一下传感器安装的位置是否合理、耦合剂是否恰当、耦合是否良好(粘结牢固无松动),然后换换敲击点,找一块平整、密实的混凝土表面敲击。敲击时尽量在桩中心,离钢筋远一点。

      此外,一根桩上最好多测几个测点,也就是将传感器耦合点换换位置,敲击点也变动一下,再进行测试,比较一下信号。

      如果通过上述几个方面的改进,振荡信号仍然存在,则应当是桩身浅部缺陷引起的。在破桩头时很容易在桩周产生浅部裂缝,取芯是取不到的,可以开挖看看。对于人工挖孔桩,由于护壁的影响也会有产生类似振荡的信号。

      12、对混凝土强度的评价
      低应变反射波法测出的波速为整根桩的平均波速,其准确性依赖准确的桩长和桩底反射时间,波速与混凝土强度之间没有一一对应的关系,因此不能给出每一根桩对应的混凝土强度,但在知道桩的准确长度的前提下,如果反射波时域曲线能准确确定桩底情况,则可以计算桩的平均波速,从而由平均波速来判断混凝土质量。我们可以根据同一工程所有测试桩波速的平均值来估计混凝土的强度等级。

      总的来讲,混凝土的质量、强度与波速的关系是存在的,混凝土强度高,质量好,其波速也高,反之波速低。但这只是一种定性关系,因为影响波速的因素很多,如混凝土的性质、骨料种类、粒径大小、养护条件、龄期、钢筋含量及位置等都有关。如果事先对混凝土试件的波速与抗压强度进行过对比试验,可以根据实测波速推算混凝土强度,否则要慎重。

      13、联线接头及信号线的保护
      仪器与传感器之间通过联线进行连接,接头部位是最容易出问题的地方,无论是传感器接头、信号线接头和电源线接头,都存在硬软交接现象,一般均通过焊接、硅胶和线卡固定,承重能力和抗折拉能力较差,因此对于这些部位在加强衔接的同时,实际使用过程中,应尽量避免承重和大力折拉,转场时应用手握住传感器,如果将传感器吊在半空,极容易导致接头处脱落。信号线除重点保护接头外,自身的老化和折拉变形也会严重降低寿命和使用的可靠性,贮存和装箱时信号线不应长期处于折拉状态,也不应长期与易腐蚀物质相处,泥砂、盐碱、污渍应及时清洗,现场测试时,还应尽量避免大力牵拉和甩动信号线;为防止行人拌动,信号线接头部的前端务必固定。一旦绝缘电阻降低或接触不良以至无法使用的信号线最好弃旧购新。对于速度计而言,普通(橡胶外套含双屏蔽的)音频线可以代用。加速度计必须购买低噪声电缆线,接头也必须用专门工具安装,非常麻烦。正因如此,现场保护联线和接头十分重要。

      但在实际使用过程中,有一些检测人员忽略了对联线和接头的保护,往往造成信号线的损坏,然后自行联接信号线,并用普通电工用黑纱布进行包箍,实测结果表明,在潮湿地区它们均存在严重的干扰,拆开后发现,绝大部分被包箍的线头均存在不同程度的锈蚀,这说明普通电工纱布不能防水,因而在野外工程试验中也不能起到较好的绝缘作用。因此应该说,单纯用这类纱布包线不合适甚至适得其反的。

      正确的处理办法是选用防水绝缘胶布包箍连接部位,正确的接线方式应当如下:①焊好芯线和屏蔽线,各自裹数层绝缘防水胶布。②在二线的外边,屏蔽层未达到的部位包一层锡箔纸,然后再用防水胶和黑纱布箍紧。③打结或其它办法处理,提高连接处的抗拉能力。低噪声电缆线连接更加麻烦,一般尽量不要增加中间环节,一根线捅到底最好。

      14、低应变反射波法的局限性与改进分析方法
      低应变反射波法的局限性:

      (1)仅测出广义波阻抗的相对变化,可以区分缩径类与扩径类,也可以计算缺陷位置,但却不能确定缺陷性质、方位。如缩颈与离析、严重离析与断桩,夹层与裂缝尚不能很好地区分。进一步确定缺陷的性质需要检测经验及其它补充资料。

      (2)缺陷程度的定量分析很难达到理想效果,目前只能将缺陷程度定性给出。由于波速计算或选取不准,据此计算的缺陷位置的误差在10%左右。缺陷在桩轴向的高度及径向的分布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算。

      (3)平均波速与砼强度之间的关系无法准确给出。

      (4)对长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷,低应变反射波法无法正确测量。高频信号传不下去,测试范围有限,低频信号分辨率不够,容易漏判缺陷等等。

      (5)若桩身存在多个缺陷时,深部缺陷容易误判。如第一缺陷在浅部时,尚可通过开挖并凿去上部缺陷再行检测,否则只能通过其它方法进一步检测。

      (6)对阻抗渐变类的缺陷难以判断,甚至可能得出相反的结论。例如缩颈、离析、扩颈等发生在桩身的某一段,缺陷程度由轻到重或由重至轻,相应波阻抗缓慢减小或增大,实测信号无法反映这一变化。特殊情况下,例如桩身渐缩后突然恢复到原截面,则可能得出桩身存在扩颈这种“有利”缺陷的结论,这是很危险的。

      为了准确分析桩身缺陷,有必要:

      (1)结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。如:预制桩、人工挖孔桩不可能缩径;许多的缺陷或质量事故都发生在流水处或地层变化处;地层变化对波形也会产生影响(会产生反射波)等等。因此查看地质资料、了解施工记录对确定缺陷位置有很好的帮助。

      (2)利用定量分析软件对基桩缺陷程度的判定。虽然定量分析软件本身存在一些不足,但它分析了应力波在桩身传播的详细过程,只要桩周土的参数选择合理,它的作用远远大于我们凭肉眼对波形缺陷程度的判断。

      (3)综合分析同一工程的所有被测桩。同一工程的地质和施工状况大致相同,通过寻找被测桩之间的共性,再来分析每一根桩的情况,往往能有效的提高分析效果。有时仅仅分析一根桩,而不对整个工程的情况进行了解,很容易产生判断错误。

      15、关于桩身完整性分类
      在《建筑基桩检测技术规范(JGJ106-2003)》中,桩身完整性定义为:反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标;桩身缺陷定义为:使桩身完整性恶化,在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、缩颈、夹泥(杂物)、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。注意,桩身完整性不是严格的定量指标,对不同的桩身完整性检测方法,具体的判定特征各异,但为了便于采用,应有一个统—的分类标准。所以,桩身完整性类别是按缺陷对桩身结构承载力的影响程度,统一划分为四类的:

      Ⅰ类——桩身完整。

      Ⅱ类——桩身有轻微缺陷,不会影响桩身结构承载力的发挥。

      Ⅲ类——桩身有明显缺陷,对桩身结构承载力有影响。

      Ⅳ类——桩身存在严重缺陷(断桩或桩长不够),—般应进行补强处理。

      有人认为,低应变方法只能给出桩身结构的完整性,与承载力的发挥有一定的相关性,桩身完整的桩可能承载力会高,但有缺陷的桩的承载力不一定会低,所以不宜给出承载力的评价。此外,Ⅱ、Ⅲ类桩均为桩身存在缺陷的桩,可以合并为“不确定类”,是否会影响桩身结构承载力的发挥,均应采用其他方法验证其可用性,或根据具体情况进行设计复核或补强处理。

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