低应变反射波法在既有基桩完整性检测中的应用研究.pdf

第 51 卷 2023 年 第 2 期广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTUREVol.51 No.2，2023低应变反射波法在既有基桩完整性检测中的应用研低应变反射波法在既有基桩完整性检测中的应用研究究林伟1，冯卓轩1，余福宝1，徐明江1，刘春林1,2（1.广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广州 510440）（2.广州建筑股份有限公司，广州 510030)摘摘要要：针对既有结构基桩完整性问题，采用低应变反射波法进行现场试验研究。结合低应变法基本原理、现场环境、作业方法及干扰信号来源，探讨了桩顶、桩侧 1 倍和 2 倍桩径处的桩身完整性检测信号。结果表明：在桩顶激振时，桩侧安装传感器比在桩顶安装可有效减弱上部结构的干扰，且桩侧 2 倍桩径位置安装传感器比 1 倍桩径位置处能更准确估算桩长和消除局部干扰信号，证明了低应变反射波法在既有结构基桩完整性检测具有可靠性和适用性。关键词关键词：低应变反射波法；既有结构基桩；完整性检测中图分类号中图分类号：TU452文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1671-2439(2023)02-025-04作者简介作者简介：林伟（1981），男，本科，工程师，主要从事地基基础检测方法的研究工作，E-mail:。AnalysisoftheApplicationofLowStrainReflectedWaveMethodtoIntegrityTestingofFoundationPileswithExistingSuperstructuresLIN Wei1，FENG Zhuo-xuan1，YU Fu-bao1，XU Ming-jiang1，LIU Chun-lin1,2（1.Guangzhou Testing Centre of Construction Quality and Safety Co.,Ltd.,Guangzhou 510440)（2.Guangzhou ConstructionCo.,Ltd.,Guangzhou 510030)Abstract：In order to investigate the integrity of foundation piles with existing superstructures,the field test is carried out by using the low strainreflectedwavemethod.Combinedwiththebasicprincipleoflowstrainreflectedwavemethod,fieldenvironment,operationmethodandinterferencesignal source,the integrity detection signals at the pile top and at the pile side are discussed.The results show that when the pile top is excited,thesensorinstalledat thepile side caneffectively reduce theinterferenceof the superstructurecompared with the sensorinstalledat thepile top,and thesensorinstalledatthedoublepilediameterbelowthepiletopcanmoreaccuratelyestimatethepilelengthandeliminatelocalinterferencesignalsthanatthepositionofonepilediameter.Itisprovedthatthelowstrainreflectedwavemethodisreliableandapplicableintheintegritydetectionofexistingstructuralfoundationpiles.Keywords:low strain reflected wave method;foundation piles with existing superstructures;integrity testing0 引言引言桩基础具有承载力高、刚度大以及地层适应性强等特点，因此在目前工程建设中，桩基础是应用最广泛的基础型式1。随着时间的推移，建成已久的工程桩基础逐渐出现劣化现象，以及开裂、破损、锈蚀等安全问题，既有结构基桩完整性检测需求日渐增多。另外，由于部分工程因赶工期或工人遗漏导致在未开展基桩检测前就已施工上部结构，以致桩质量检测作业与安全评价难度较大。由于既有上部结构的存在干扰，常用的高应变法以及声波透射法检测并不再适用。而低应变法因具有检测快捷、设备简单、费用低等优势而被广泛使用2，且在复杂工况下，也具有良好的适用性。低应变法在既有上部结构基桩的桩身完整性检测中的应用难点主要有两点。第一点难度在于信号采集传感器的安装和击振点，这是因为桩顶面已被上部结构遮挡，在桩顶位置处无法设置信号采集点，有效信号的形成和采集得不到保证。第二难点在于上部结构反射波的干扰容易造成误判，通常敲击点处基金项目基金项目：广州建筑集团科技计划项目广州建筑集团科技计划项目（2020-KJ002、2020-KJ007、2021-KJ007），），广州建科院科技计划项目广州建科院科技计划项目（2021Y-KJ04、2022Y-KJ01）-25-25-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期会分别产生往下和往上传播的应力波，往上信号在上部结构干扰下反射回来信号采集点位置，并与往下反射回来的上行信号叠加，并反复叠加从而造成测试结果存在较大干扰，经常容易引起人为误判或漏判。因此，研究既有基桩的完整性检测方法及其工程现场测试研究非常必要。既有基桩完整性检测可通过传感器的安装数量分为单速度法和双速度法。实际工程可根据实际情况综合选用不同的检测方式，以获得较好检测信号为目标。常规基桩选用单速度法即可，且较为简便，能满足基桩完整性检测环境条件，已有大量相关研究成果。低应变双速度法是针对既有基桩而提出的另外一个分析手段。Mark&Frank3根据一维杆件振动理论和应力波传播原理，提出了既有基桩低应变双速度检测技术，其原理是通过采集设置一定距离的两传感器信号，推导出分离上下行波的计算公式；然后根据分离出的桩顶以下上行波信号判定基桩完整性情况，消除桩顶上部结构下行波的信号干扰。韩亮4针对既有基桩完整性的检测问题，进一步完善了低应变双速度测试技术。高飞5通过现场试验提出了既有基桩完整性检测可采用桩侧激振取代传统桩顶激振的思路。徐教宇6发明了一种能够消除上部结构干扰的低应变检测既有结构的方法，对真实评价既有上部结构基桩完整性非常重要。此外，刘陈希等7和徐教宇等8提出了消除既有基桩低应变法干扰因素的技术方案，以及既有基桩长度的判定方式。赵爽等9通过模型试验和有限元模型，分析了水平低应变法在高承台缺陷基桩检测中的适用性问题。本文结合现场实际工程既有基桩的低应变法完整性检测，探讨单速度低应变法在实际基桩完整性检测中的适应性情况及存在问题，希冀为既有基桩的检测提供参考。1 基本原理基本原理低应变反射波法是以一维线弹性杆件模型为基础，处于弹性阶段，且要求设计桩身截面宜基本均匀、规整10。另外，低应变反射波法又叫应力波法，是根据弹性杆中的应力波传播理论所建立的基桩检测方法，而应力波在桩身传播时，平截面假设依然成立。在既有结构上应力波的传播仍符合波动理论。为了分析传感器距上部结构距离对时域曲线的影响，在同一支护桩上取距上部结构 0.5m 及 1.0m位置安装传感器 2 和 3，不考虑安装谐振的影响，即应力波向下传播，传播路径见图 1。传感器可接收的信号有：冲击产生向下的应力波；桩顶与承台连界面反射的下行波；桩顶与承台连界面反射的上行波；桩底反射上行波。由文献11得出，上行波才是判断异常信号的有效波。所以和上行波是关注的重点，而桩顶与承台连界面是上部结构不属于桩身主体，因此，产生的信号属于上部结构的干扰，是无效信号。若无现场施工资料，很难分辨出桩底反射。图图 1 既有基桩应力波传播路径示意图既有基桩应力波传播路径示意图2 工程与地质概况工程与地质概况2.1 工程概况工程概况需检测的基坑支护桩位于广州市南沙区。基坑支护结构形式及施工概况：采用直径 800mm 止水帷幕水泥搅拌桩以防止基坑侧壁及坑底地下水流入基坑，外加直径 800mm 加固水泥搅拌桩用以加固基坑侧壁，支护桩采用直径 500mmAB 型预制管桩，混凝土强度等级 C80，桩与桩间隔一倍桩径，另附加预应力锚杆、钢管土钉配合整体基坑支护。支护桩采用静压法施工，桩长分别为 27m 和22m，间隔分布，且冠梁厚度 0.4m，管桩填芯厚度3.0m。现场传感器分别安装在冠梁顶面以及桩顶面下的桩侧处，如图 2 所示。(a)传感器顶部安装(b)传感器桩侧安装图图 2 传感器安装图传感器安装图-26-26-林伟等：低应变反射波法在既有基桩完整性检测中的应用研究3 影响因素分析影响因素分析3.1 传感器安装位置的影响传感器安装位置的影响本工程由于属于支护桩，上部结构是统一冠梁，因此不需考虑桩侧敲击的条件，且按广东省对于PHC 管桩波速的经验取值，本文中 Cm取 4200m/s。选取桩顶激振方式，传感器 1 安装在桩径 2/3R 范围内12，下部桩身传感器安装在距桩顶 0.5m 位置处。对桩顶进行激振后，桩顶传感器 1 采集的实测曲线如图 3 所示，根据低应变反射波法曲线的特点，上部结构的反射信号非常强烈，且后续反射干扰也十分明显，导致桩底信号经放大后仍难以判断，只能从采样点的相对峰值中进行估算；而随着应力波的下行，上部结构的干扰在三次反射过后幅值逐渐减少，桩底反射信号幅值略微增大，且四根桩趋势基本一致，但 G22 上部结构干扰信号不明显，可能与激振力大小有所关联13-15。(a)G22 顶部(b)G25 顶部(c)G38 顶部(d)G41 顶部图图 3 顶部传感器低应变时域曲线顶部传感器低应变时域曲线距上部结构 0.5m 的信号曲线如图 4 所示。随着应力波的向下传递，上部结构的干扰信号开始出现小范围的振荡，桩号 G25、G38 和 G41 始终未曾出现缺陷的反射，与顶部传感器接收的信号一致，均可判定为完整桩，且桩底反射清晰可见，但 G22在靠近 18.5m 位置处有轻微缺陷反射信号，而传感器 1 采集的属完整类桩信号，综合判定 G22 应为类桩。综上所述，传感器安装在桩侧 0.5m 时，经放大后桩底反射清晰可见，对于桩底的判断优于顶部击振时，且上部结构干扰信号也是震荡分布。(a)距 G22 桩顶 0.5m 处(b)距 G25 桩顶 0.5m 处(c)距 G38 桩顶 0.5m 处(d)距 G41 桩顶 0.5m 处图图 4 下部传感器距桩顶下部传感器距桩顶 0.5m 处低应变时域曲线处低应变时域曲线3.2 传感器距上部结构位置的影响传感器距上部结构位置的影响由上一节得出，传感器安装在距桩顶下 0.5m处时，所测得曲线上部结构的干扰依然难以消除。根据低应变反射波法的特征，将传感器安装在距桩顶下部 1.0m 位置处，G38 和 G41 时域曲线如图 5 所示，两者上部结构干扰信号幅值随着应力波的向下传播而有所减小，且靠近桩底位置处幅值相-27-27-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期较于图 4（c）和 6（d）的时域曲线逐渐平滑，但图5（b）在桩头处有缺陷特征，而桩顶时域曲线图 3（d）和桩侧 0.5m 处时域曲线图 4（d）均则属于类桩，综合判定 G41 应为类桩。另外，由于上部结构干扰信号的影响，下部传感器接受桩底信号的额峰值时间较桩底反射信号的时间有所前移，从而计算得出的桩长略小于实际桩长。综合而言，对比于传感器距桩顶安装在 1 倍桩径位置处，2 倍桩径位置可有效消除部分上部结构的干扰信号，也能更好地判断桩身完整性及估算桩长。(a)距 G38 桩顶 1.0m 处(b)距 G41 桩顶 1.0m 处图图 5 下部传感器距桩顶下部传感器距桩顶 1.0m 处低应变时域曲线处低应变时域曲线4 结论结论对既有冠梁支护桩进行低应变完整性现场检测，经分析得出以下初步结论：（1）低应变反射波法设备简便，操作方便，为既有基桩完整性检测提供了良好的现场布置条件。（2）既有上部结构的存在会导致对基桩缺陷异常信号造成较大误判，为此需要通过调整传感器间距、敲击模式、采样频率以消除上部结构的干扰。（3）既有基桩在桩顶敲击时，传感器安装在桩顶时上部结构干扰信号远大于桩侧安装传感器。（4）传感器安装在距桩顶两倍桩径位置处较一倍桩径位置处可有效消除部分上部结构的干扰信号，且能更合理判断桩身完整性、估算桩长更准确。随时间推移，越来越多的房屋、桥梁、公路等结构逐渐出现劣化，其桩基的检测显得尤为重要。为保障既有上部结构运营安全和正常使用，进一步拓展低应变反射波在既有基桩完整性检测的工程应用，提高低应变反射波法的适用范围，具有重要的工程意义和应用价值。参考文献参考文献1 张程林,胡贺松,戚玉亮.既有建筑物桩基检测技术研究现状与发展J.广州建筑,2014,42(2):3-6.2 王雪峰,吴世明.基桩动测技术M.北京:科学出版社,2001.3 Mark J,Frank R.Low strain testing of piles utilizing twoacceleration signals J.Stress Wave 1996,1996,11(13):859-869.4 韩亮.既有基础下基桩完整性双速度测试技术J.建筑结构,2007,37(S1):268-270.5 高飞.既有结构下基桩完整性检测的桩侧激振接收法J.中国港湾建设,2012,(1):29-31.6 徐教宇.一种能够消除上部结构影响的低应变检测既有基桩完整性的方法P.CN109469114A,2019.7 刘陈希,李泽深,余福宝.基桩低应变法检测中干扰因素分析及其应对措施J.广州建筑,2020,48(3):6-8.8 徐教宇,韩超,任国家.低应变法检测既有基桩时上部结构的影响及消除方法研究J.建筑科学,2020,36(11):56-64.9 赵爽,吴君涛,邱欣晨,等.基于水平低应变法的高承台桩缺陷检测研究J.浙江大学学报（工学版）,2021,55(10):1867-1902.10 徐攸在.桩的动测新技术M.北京:中国建筑工业出版社,1989.11 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