摘要：对于桥梁桩基检测，无损检测技术可以在不损坏桩身结构的情况下实现检测，检测结果直观可靠。本文以无损检测技术为分析对象，论述其在桥梁桩基检测中的应用，目的在于提高桥梁桩基检测质量。
关键词：桥梁工程；桩基检测；无损检测技术；分析
一、无损检测技术
一般来说，桩测试可分为直接法和半直接法，测试内容包括承载力检测和完
整性检测。其中，承载力检测一般采用直接法，包括单桩竖向抗压静载荷试验，单桩竖向抗拔静载试验，单桩水平静载试验等，并辅之半直接高应变法。完整性
检测一般采用半直接方法，包括高、低应变方法，声波透射法和磁测法测桩长等，还有直接方法钻系法。本文主要介绍低应变方法，声波透射法等半直接方法。
（一）低应变法
桩基动力测试技术的原理是基于应力波理论。上世纪60年代，世界上部分国家开展了动力测试研究工作，并于80年代形成了实用的高应变现场测试和室内波动方程分析方法。采用低应变法检测桩身完整性的研究工作也在同期开展，其中机械阻抗法在20世纪70年代初已取得了进展，而反射波法早期研究虽然也在英、法等国开展，却有报导说其研究并不成功，不过1980年后，这一方法发展迅速速度，在国际上占据了低应变动力检测桩身完整性的主导地位。
同时，我国一些单位对桩基测试技术、仪器设备等展开了详细分析，促进了低应变动测技术的进步。上世纪80年代中至90年代初，和高应变法在我国发展情形类似，各种低应变法在基本理论、机理、仪器研发、现场测试和信号处理技术、工程桩或模型桩验证研究、实践经验积累等方面，取得了许多有价值的成果。
90年代中期，建工行业标准《基桩低应变动力检测规程》JGJ／T93－95和《基桩高应变动力检测规程》JGJ106－97的相继颁布，标志着我国基桩动测技术发展进人了相对成熟期。
低应变方法在我国一直是多种方法并存，但目前绝大多数检测机构已逐步转向采用反射波法检测柱身完整性。主要原因是反射波法的仪器轻便，现场检测快捷，同时汲取了其他方法之精华，如将激振方式、频域分析方法作为测试、辅助分析手段融合于反射波法中，使其得到不断充实和完善，大大提升了其实用性。
该种检测方法被应用于桥梁基桩质量检验，由于受到弹性波传播与激发能量影响，不适合应用在超过40m的桩基中。当桩长超过40m时宜采用其他方法检测，譬如声波透射法检测等。
（二）声波透射法检测
声波检测一般是以人为激励的方式向介质（被测对象）发射声波，在一定距离上接收经介质物理特性调制的声波（反射波、透射波或散射波），通过观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波形的变化，对被测对象的宏观缺陷、几何特征、组织结构、力学性质进行推断和表征。而声波透射法则是以穿透介质的透射声波为测试和研究对象的。
混凝土灌注桩的声波透射法检测是在结构混凝土声学检测技术基础上发展起来的。结构混凝土的声学检测始于上世纪40年代末，经过几十年的研究、探索和实践，这项技术在仪器设备、测试方法、应用范围、数据分析、处理方法等方面得到了很大发展，在许多国家和地区得到了广泛应用，成为混凝土无损检测的重要手段。
至上世纪70年代，声波透射法开始用于检测混凝土灌注柱的完整性。其基本方法是：基桩成孔后，灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的上下通道，在桩身混凝土灌注若干天后开始检测，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距自下而上逐点检测声波穿过桩身各横截面的波形和声学参数，然后对这些检测数据进行处理、分析和判断，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、密实性和均匀性状况，评定桩身完整性等级。
声波透射法有其鲜明的特点：检测全面、细致，声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面，信息量相当丰富，结果准确可靠，且现场操作简便、迅速，不受桩长、长径比的限制，一般也不受场地限制。因此，成为目前混凝土灌注桩（尤其是超长桩和大直径灌注桩）完整性检测的重要手段，在工业与民用建筑、水利电力、铁路、公路和港口等工程建设的多个领域得到了广泛应用。
二、无损检测技术在桥梁基础桩施工中的应用
桥梁基桩无损检测技术应做好检测方法的选定、仪器设备选择、前期准备工作等多方面工作，才能保证检测结果准确可靠，为后续桥梁工程建设提供良好服务。接下来，结合桥梁桩基检测状况进行分析，提出可行有效的检测方法。
（一）检测方法的选定
不同类型的检测方法有着不同的适用范围与效果，低应变检测方便快捷，如果将其适用范围增大则容易导致判断错误。如果有条件可以通过两种检测方法进行结果比对，从而达到互补效果，保证检测结果有效可靠。
选用低应变时应注意以下几个问题：
1）低应变法的理论基础是一维线弹性理论，要求受检桩的长细比较大外，还要求瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比大于10，对于薄壁钢管桩、大直径薄壁现浇混凝土管桩和类似H型钢柱桩，由于桩顶激励所引起桩顶各部分相应及其复杂，低应变法一般就不适用。
2）缺陷的定量与类型区分
基于一维理论，检测结论给出桩身纵向裂缝、较深部缺陷方位的依据是不充分的。由于低应变法对桩身缺陷程度不作定量判定，对于桩身不同类型的缺陷，只有少数情况可能判断缺陷的具体类型：如预制桩桩身的裂隙，使用挖土机械大面积开槽将中小直径灌注桩浅部碰断，带护壁灌注桩有地下水影响时措施不利造成局部混凝土松散，施工中已发现并被确认的异常情况。多数情况下，在有缺陷的灌注桩低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。例如，混凝土灌注桩出现的缩颈与局部松散或低强度区、夹泥、空洞等，只凭测试信号区分缺陷类型尚无理论依据。将低应变方法“神化”成无所不能，如指出桩身两个以上的严重缺陷及其各自对应的深度、某一深部缺陷的方位，检测出钢筋笼长度、桩底沉渣厚度等，可能会使这一方法成为伪科学。因此，如果需要，应结合地质、施工情况综合分析，或采取钻芯、声波透射等其他方法。
3）最大有效检测深度
由于受柱周土约東、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素的影响，应力波从桩顶传至桩底、再从桩底反射回桩顶的传播过程为一能量和幅值逐渐衰减过程。若桩过长（或长径比较大，桩土刚度比过小）或桩身截面阻抗多变或变幅较大，往往应力波尚未反射回桩顶甚至尚未传到桩底，其能量已完全耗散或提前反射；另外还有一种特殊情况桩的阻抗与柱端持力层阻抗匹配。上述情况均可能使仪器测不到桩底反射信号，而无法判定整根桩的完整性。在我国，若排除其他条件差异而只考虑各地区地质条件的差异时，桩的有效检测长度主要受桩土刚度比大小的制约。因各地提出的有效检测范围变化很大，如长径比30～50、桩长30～50m不等，故具体工程的有效检测桩长，应通过现场试验，依据能否识别桩底反射信号，确定该方法是否适用。
对于最大有效检测深度小于实际桩长的超长桩检测，尽管测不到桩底反射信号，但若有效检测长度范围内存在缺陷，则实测信号中必有缺陷反射信号。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此时，低应变方法只可用于查明有效检测长度范围内是否存在缺陷
4）关于“用一维纵波波速校核桩长”的误区澄清
波速除与桩身混凝土强度有关外，还与混凝土的骨料品种、粒径级配、密度、水灰比、成桩工艺（导管灌注、振捣、离心）等因素有关。另外还受以下两种因素的影响：激振点与传感器安装点之间的时间滞后；截面尺寸变化引起波绕行距离的增加。此外，波速测量还存在定位读数误差，施工和凿柱头标高控制等误差，再附加上述多种原因引起的误差，波速测量不确定度引起的估算桩长误差超过1m是可能的。若桩长20m，波速测量误差为5％，推定桩长误差为1．0m。另外是关于偷工减料的事实认定问题。“校核”桩长与实际书面记载的施工桩长不符通常被怀疑为桩短，遇到争议时，从法律角度认定事实时就会出现令人尴尬的局面。因此，一般是大致估算桩长，当根据当地经验估算的桩长与记录的桩长确实差别很大时，首先应综合施工工艺、地质条件和施工记录等开展有关调查，然后提出是否采用其他方法验证的建议。
（二）低应变激振方法控制
1）“传感器安装底面应与桩顶面紧密接触”是响应测量传感器安装的基本原则。传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄。激振以及传感器安装均应沿柱的轴线方向
2）激振点与传感器安装点应远离钢筋笼的主筋，其目的是减少外露主筋振动对测试产生干扰信号。若外露主筋过长而影响正常测试时，应将其割短。
3）测桩之目的是激励桩的纵向振动振型，但相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，在桩顶部位难免出现与桩的径向振型相对应的高频干扰。当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的干扰加剧。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰的程度各异。研究成果表明：实心桩安装点在距桩中心约2／3半径R时，所受干扰相对较小；空心桩安装点与激振点平面夹角等于或略大于90°时也有类似效果，该处相当于径向耦合低阶振型的驻点。另外应注意，加大安装与激振两点间距离或平面夹角，将增大锤击点与安装点响应信号的时间差，造成波速或缺陷定位误差。
4）当预制桩、预应力管桩等桩顶高出地面很多，或灌注桩桩顶部分桩身截面很不规则，或桩顶与承台等其他结构相连而不具备传感器安装条件时，可将两支测量响应传感器对称安装在桩顶以下的桩侧表面，且宜远离桩顶。
5）瞬态激振通过改变锤的重量及锤头材料，可改变冲击入射波的脉冲宽度及频（a率成分。锤头质量较大或刚度较小时，冲击入射波脉冲较宽，低频成分为主；当冲击力大小相同时，其能量较大，应力波减较慢适合于获得长桩桩底信号或下部缺陷的识别。锤头较轻或刚度较大时，冲击入射波脉冲较窄，含高频成分较多；冲击力大小相同时，虽其能量较小并加剧大直径桩的尺寸效应影响，但较适图不同的锤击工具引起的不同的动力宜于桩身浅部缺陷的识别及定位。
6）为避免频率变换过程产生失真信号，应具有足够的稳定激振时间，以获得稳定的激振力和响应信号，并根据桩径、桩长及桩周土约東情况调整激振力。稳态激振器的安装方式及好坏对测试结果有很大的影响。为保证激振系统本身在测试频率范围内不出现谐振，激振器的安装宜采用柔性悬挂装置，同时在测试过程中应避免激振器出现横向振动。
7）为了能对室内信号分析发现的异常提供必要的比较或解释依据，检测过程中，同一工程的同一批试桩的试验操作宜保持同条件，不仅要对激振操作、传感器和激振点布置等某一条件改变进行记录，也要记录桩头外观尺寸和混凝土质量的异常情况
8）桩径增大时，桩截面各部位的运动不均匀性也会增加，桩浅部的阻抗变化往往表现出明显的方向性。故应增加检测点数量，通过各接收点的波形差异，大致判断浅部缺陷是否存在方向性。每个检测点有效信号数不宜少于3个，而且应具有良好的重复性，通过叠加平均提高信噪比。
（三）低应变嵌岩桩检测
嵌岩桩，桩底沉渣和桩端持力层是否为软弱层、溶洞等是直接关系到该桩能否安全使用的关键因素。虽然低应变动测法不能确定桩底情况，但理论上可以将嵌岩桩桩端视为杆件的固定端，并根据桩底反射波的方向判断桩端端承效果。当桩底时域反射信号为单一反射波且锤击脉冲信号同向时，或频域辅助分析时的导纳值相对偏高，动刚度相对偏低时，理论上表明桩底有沉渣存在或桩端嵌固效果较差。注意，虽然沉渣较薄时对桩的承载能力影响不大，但低应变法很难回答桩底沉渣厚度到底能否影响桩的承载力和沉降性状，并且确实出现过有些嵌入坚硬基岩的灌注桩的桩底同向反射较明显，而钻芯却未发现桩端与基岩存在明显胶结不良的情况。所以，处于安全和控制基础沉降考虑，确保基桩使用安全。
（四）声波透射法换能器的耦合
耦合的目的是一方面使尽可能多的声波能量进入被测介质中，另一方面又能使介质传播的声波信号尽可能多被的测试系统所吸收，从而提高测试效率和精度。声波检测应采用清水作为换能器与混凝土的耦合剂，水中不能含有泥浆、砂和其他悬浮物，因为水中这些悬浮物的固体颗粒对声波有较强的散射作用，有时对检测结果较大影响会造成误判。
（五）声波透射法换能器的选择
由于声波在混凝土中衰减较大，为了能有一定的传播距离，声波透射法一般使用200kHz以下较低的频率的声波。桥梁桩基桩径一般在1～2米，频率宜选用50kHz左右，但对于被测混凝土质量差、强度低时，则须降低使用频率，才能获得较大的波幅。如被测混凝土是早龄期、甚至未完全硬化时，声波在混凝土中衰减更大，需要使用频率更低或可闻声波频率进行检测。
（六）准备工作
在现场检查过程中，需要进行全面的准备。低应变检测需要桩顶到设计标高且为无浮浆、裂缝与松懈混凝土块等。桩头施工存在隐患、未清理彻底、露出钢筋较长，桩头裂缝等限制都会制约信号搜集。需要对安装传感器的激振点和测试点进行平滑处理，以消除所有影响因素。在声波检测过程中，必须确保声管正常，并且换能器应能在声测管全程范围内正常升降。声测管材料需要有较强的刚度与强度，安装过程中通过丝扣接入，保证连接效果与声测管平行。钢筋笼安装与混凝土灌注时应制定科学有效的方案，确保检结果准确。
（七）信息客观评估
现场检查应充分掌握和收集有关基桩参数的信息。检测时做到发现问题及时分析，完成相关重复性检测且确保检测初始信息与搜集信息一致性，为整体分析提供真实的数据资料。此外，注重比较验证，科学分析相同项目中检测桩数据，找到其共同性，提升单桩检测结果精准性。
三、结语
总而言之，桥梁建设项目越来越多，确保桥梁工作的关键之一是桩基础。桩基施工质量的好坏会直接影响桥梁的安全性和稳定性，通过无损检测技术的应用，可以在不损坏桩基结构的情况下有效检测桩身结构的完整性。
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论文作者:段洁琼
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/30
标签：声波论文; 桩基论文; 混凝土论文; 桥梁论文; 应变论文; 方法论文; 缺陷论文; 《基层建设》2019年第4期论文;