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摘要：在阐述低应变检测基本原理的基础上，从低应变法本身的局限性、低应变理论的适用性及管桩构造的特殊性3个方面分析了低应变法检测预应力管桩存在的局限性。阐述了预应力混凝土管桩综合分析方法的必要性及其具体途径。结合工程实例，验证了综合分析方法的必要性与有效性，提出了管桩低应变检测现场采集与结果判定的建议。
关键词：完整性检测；低应变局限性；预应力混凝土管桩；综合分析方法
引言
低应变反射波法是地基基础检测的主要方法之一，适用于检测桩身混凝土的完整性，判定桩身缺陷的程度，推断缺陷的类型和位置。随着科学技术的发展，低应变反射波法得到了长足的发展，在工程检测中的应用愈加广泛。
一、管桩低应变法试验实例
湛江某软土区域的管桩低应变法试验项目，抽检桩总数102根，桩径400mm～500mm，有效桩长17.0～29.0m，原第一节配桩长度8.0～12.0m，检测时桩头已截至承台底标高，故第一节配桩长度为2.0～9.0m，桩端持力层为中粗砂。地层分布如下：杂填土，层厚约2.0m；淤泥，层厚14.3～17.4m，饱和，流-软塑；粉质粘土，厚度3.8～8.2m，湿，可塑；淤泥质粉质粘土，层厚3.5～15.1m，饱和软塑；粗砂，层厚3.2～5.8m。部分基桩的低应变检测信号，如图1。
图2 灌芯前后部分低应变信号曲线
试验结果表明：
（1）102根桩的速度曲线均无法识别桩底反射信号。（2）桩身存在轻微和明显缺陷的桩数为63根，根据提供的施工记录，其中48根缺陷深度均与第一节配桩长度较符合，其中14根缺陷深度均不大于第一节配桩长度，其中一根缺陷深度均大于第一节配桩长度。根据速度信号曲线分析，缺陷绝大部分位于地面以下第一个接桩范围内，速度信号曲线难以反映第二节以下的桩身完整性情况。（3）对于疑第一节与第二节焊缝问题的48根桩进行了灌芯处理，灌芯深度为第一节桩长度L+1m，采用C40早强膨胀混凝土，一个星期后进行复测，发现灌芯后的低应变曲线绝大部分能得到很好改善，如图2。
二、基桩低应变法检测的原理
混凝土材料具有良好的连续性、均匀性和弹性，可满足胡克定律对桩体弹性的要求。在施加瞬态应力后的桩基桩中，桩体弹性变形的弹性会在一定程度上发生，在混凝土介质中，以波的形式传递，这就是我们所说的弹性应力波。在对桩基桩低应变检测理论的分析中，必须忽略材料阻尼在传输过程中的影响。在一维弹性杆分析中，如果水平尺寸小于纵向尺寸，则在分析过程中应忽略横截面波的二维传播。在传输过程中，基桩的横截面一直被认为是平的，截面上的应力是均匀的。
通过以上五个方面的描述，提出以下问题：
1、桩的桩沿桩轴的方向为简化，定义为一维弹性杆模型，基于桩身混凝土材料的强度以及弱波阻抗的形成等等的基础桩身截面的变化。
2、三维波阻抗在传播方向上简化为一维的、弹性波在桩基础上的传递过程中，一旦遇到截面，截面的阻抗变化就会出现反射现象。
3、在桩帽安装在传感器上，用于接收桩在物质波的传输中，通过分析不同种类的物质波，在桩体缺陷的基础上或在桩底进行分析。
本文对基桩低应变检测的分析过程主要考虑了基桩的平均弹性波速、桩长、弹性波的传播和反射时间。
三、低应变检测管桩的局限性
（一）低应变本身的局限性
反射波理论是建立在一维均质弹性杆基础上的，其数学模型是一种理想化的模型。在实际工程中，反射波传播过程受很多因素的影响，除最大的桩身材质和桩周土阻抗外，还有检测设备自身的问题和非一维波、波的弥散、多重缺陷等一系列因素。因此，工程桩的反射波图形反映的不仅仅是桩身质量，而是多种因素综合作用的结果。低应变反射波仅能对工程桩的完整性进行粗略判断，有时甚至只能对上部缺陷进行判断，不能对缺陷的种类和大小进行精确的描述（这已在工程检测界形成了共识）。如：低应变对浅部缺陷较为敏感，对深部缺陷和桩底沉渣难以反映；低应变很难识别纵向裂缝，对水平裂缝和接缝有所反映但难以定量；分辨率有限，难以判别管桩桩身细小微裂缝。管桩难以测到桩底信号，笔者曾经对比过相近地层、相近桩长的旋挖灌注桩与静压管桩低应变信号，灌注桩大部分能有桩底反射，原因可能如下：管桩为完全挤土桩，其施工后桩周土加倍密实，土阻力大幅增加，应力波衰减较快，难以抵达桩底或反射到桩顶传感器。
（二）低应变理论的适用性
反射波法的理论基础是一维线弹性杆件模型，因此受检基桩应满足下列条件：长细比＞5；瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸＞5；设计桩身截面基本规则；应力波传播时平截面假定成立。但是，预应力混凝土管桩为一圆环柱体，并非满足一维弹性杆件。中国建筑科学研究院陈凡等[认为，对于管桩，应力波传播时平截面假定非严格成立。这也从一定程度上说明应力波在圆环柱体内的传播不能简单套用杆件模型。特别是大直径管桩，在采用应力波反射法检测时，桩顶某一点受到激振锤的敲击作用，受到集中荷载作用，应力波不仅沿纵向传播，同时也沿着管壁环向传播。应力波传播是一个三维问题，且桩顶高频波干扰严重，使桩身缺陷难以判断。因此传统的基于一维波动理论的动力检测方法存在较大误差。对管桩进行低应变检测时，将激振点布置在与传感器圆心夹角为90°的位置，虽然能在一定程度上减小了高频干扰波峰值，但无法完全消除高频波干扰。。身缺陷诊断带来一定的干扰。（2）预应力管桩为一圆环柱体，严格地讲已不满足一维弹性杆件假设。实际上，桩是三维体，桩身缺陷的形状、空间位置也是随机分布的。对于挖土、机械行走等原因造成桩身出现明显倾斜、扭曲的管桩，桩的纵向轴线已非直线，可能是呈空间分布的1条曲
线，类似于异形桩，更加不满足反射波法的理论基础。（3）对于挖土、机械行走等原因造成桩身出现明显倾斜、扭曲的管桩，在低应变检测时，受检桩只有水平向土压力作用，但是预压应力的存在，使得裂缝的开展并不明显，桩身完全有可能并没有出现裂缝、断裂等明显的阻抗变化界面。因此，低应变检测对于缺陷的漏判完全是有可能的。
四、预应力管桩综合分析方法
针对管桩低应变时域、频域信号中缺陷反射不明显的典型问题，有人提出了运用小波理论等多种方法，有效地解决低应变法识别桩身细微裂缝的技术难题。但是鉴于低应变对于管桩存在天生、固有的缺陷与不足，单凭信号处理的技术手段是难以轻易解决的。概括地讲，预应力管桩存在5个特殊性：一是环形截面，薄壁结构，并非一维杆件；二是理论研究不够深入，平截面不成立；三是预应力高强混凝土，脆性破坏，抗剪性能差；四是预应力钢棒，耐久性要求；五是万一上下节桩间错位，荷载不能正常传递。笔者结合多年的工作经验与切身体会，若采用低应变法检测桩身完整性，建议应符合以下规定：（1）检测的最佳时间是刚打入土体不久、桩周受扰动土的固结还没有完成、土阻力比较小的时候。土阻力比较小，反射波的能量衰减就小，测得的信号清晰，提高了曲线分析的准确度和可靠度。2）检测宜在填芯之前进行，考虑灌芯造成桩身存在截面阻抗变化，可能导致误判或掩盖了桩身缺陷。（3）检测宜在垫层浇筑前进行，当垫层厚度较大且与桩身结合较好时容易造成桩身浅部存在截面阻抗变化，单某一项目大部分出现浅部信号异常时应凿开桩周垫层，然后复测，以免误判。（4）现场检测时当桩头有端板时，应先检查端板是否松动锈渣过厚，如有应处理后再检测，并且激振点及传感器安装点应避免桩身主筋（5）在基坑开挖中如发现土体位移或机械运行影响桩身倾斜度时，或在软土厚度较大地基中的管桩容易在开挖时因软土流动造成桩身及焊缝开裂，应加大检测量。（6）现场测不到桩底时，此时应适当增加激振能量或采用合适胶垫等增大波长。（7）当波形反映桩身出现明显缺陷时，有条件应挖开进行检查核对；挖开检查困难时，应结合桩顶偏位、桩身倾斜率、孔内摄像、岩土工程条件及施工情况等综合判定，仍有疑问时，应采用静载法进行验证，或由各方责任主体协商补强或加桩。（8）在同一项目中，当低应变反映的缺陷位置有共同点，应对施工工艺、施工记录、地质情况进行分析，以免误判。（9）严格按照规范进行低应变结果判定，必要时合理地扩大抽检。
结束语
由于地质条件复杂或者施工不当，预应力管桩容易产生偏斜、桩身开裂、焊缝开裂等现象。利用低应变反射波法对预应力管桩进行基本检测、凿开垫层后复测、灌芯后复测三次检测，并切忌在低应变检测中习惯一锤子买卖，应多结合工程资料及检测经验进行分析采用不同能量、波长的激振锤，这样方可较全面查明预应力管桩的缺陷程度，推断缺陷的类型及位置，从而为预应力管桩的处理提供科学而可靠的依据。对解决工程隐患，提高工程质量有很大的现实意义，并对其他类似工程亦能起到很好的借鉴作用。
参考文献：
[1]唐毅.关于低应变反射波桩基础检测的相关探讨[J].城市建设理论研究，2012（02）.
[2]周万重.低应变检测技术在桩基检测中的应用探讨[J].江西建材，2013，05：336-337.
论文作者:梁子聪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/13
标签：应变论文; 缺陷论文; 管桩论文; 预应力论文; 反射论文; 截面论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第21期论文;