低应变法在现役码头工程基桩完整性检测中的应用

邱海 杜政

摘要：准确检测、评估现役码头工程基桩的完整性，对现役码头的使用、修复和老旧码头改造升级具有重要意义。目前，国内对采用低应变法检测既有结构基桩完整性的应用和经验尚未成熟。文章主要通过阐述传感器安装方法、仪器设备性能要求和工程实际应用，探讨低应变法检测现役码头工程基桩完整性的可靠性。

关键词：既有结构基桩;桩身完整性;低应变法;传感器安装;仪器设备;工程实例

0 引言

对受到台风、地震、船只碰撞等因素可能造成基桩出现不同程度损害的现役码头工程和拟改造升级但缺乏基桩检测资料的老旧码头，如何准确检测、评估既有结构下基桩的完整性，对现役码头的使用、修复和对老旧码头的改造升级都具有重要意义，甚至可以避免重大经济损失和人员伤亡。目前，低应变法在桩顶自由条件下检测基桩完整性技术成熟、经验丰富，但对既有结构下的基桩，利用传统检测方法——低应变法检测其完整性时，受到的干扰因素和约束条件增多，发展较慢，理论水平及实际检测应用还没有十分成熟，因此对仪器设备的性能和技术人员的现场经验及分析水平上提出了更高的要求。目前只有住房和城乡建设部在2018年颁发了《既有建筑地基基础检测技术标准》（JGJ/T422-2018）（下称“标准”），其他相行业尚未颁布相关检测技术标准或规范。

1 低应变信号分析原理

低应变法检测基桩完整性的基本原理是假设桩端自由的基桩为一维弹性杆，通过在桩顶施加激振信号产生应力波，应力波在桩身的传播符合一维杆应力波波动方程，如式（1）、式（2）所示。

应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面（如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷）和桩底面（即波阻抗发生变化）时，将产生反射波，由波阵面动量守恒条件和应力波在阻抗界面

由式（3）和式（4）分析可以得知，当桩身存在缩径、离析、断裂、夹泥等缺陷时，下段的波阻抗变小。此时，在入射波和桩底反射波到达时间之间，会得到与入射波同相的反射波，多次反射波幅值会逐次减小，但相位不发生变化。当桩身扩径，下段波阻抗变大。此时，在入射波和桩底反射波到达时间之间，会得到与入射波反相的反射波，多次反射波幅值会逐次减小，相位会随反射的次数变化。当桩界面上下段的波阻抗相差越大时，反射系数越大，故所测到的反射波也越明显，由此作为判断桩身缺陷严重程度的依据。

2 检测方法

根据既有结构下基桩顶部出露情况，标准中规定了以下两种检测方法：

（1）桩顶面部分出露时，传感器可根据桩顶面出露情况对称布置安装于出露的桩顶面，锤击位置为桩顶面出露部分的中心。在现役码头工程中，桩顶面出露或部分出露的情况极少。

（2）桩侧出露时，传感器可安装于桩侧面，距上部构件底部不应小于0.5倍桩径，锤击桩轴线对应的结构顶面或通过桩顶正上方的构件靠近桩中心的不同位置锤击，确定合适的锤击位置。传感器可以采用单个传感器也可以采用双传感器，本文中只讨论单传感器检测。这种方法传感器安装较为简单，可采用黏性高的耦合剂安装顶置式传感器或在安装位置打入膨胀螺栓安装侧置式传感器，类似高应变加速度传感器安装。这种安装方法很难保证传感器的安装质量，同时膨胀螺栓会带来附加干扰，而且目前市面上侧置式传感器存在灵敏度不高等问题，采集效果相对较差，笔者建议暂时不要在工程检测中使用这类传感器。顶置式传感器相对较好，但也会受到如承台或连系梁底面的反射信号、梁柱节点处的反射信号等横向振荡信号甚至是上部既有结构本身缺陷等的反射信号的干扰，极大增加分析判断难度。经过多次工程验证检测，笔者对桩侧传感器的安装方法进行了局部改进，即采用微破损法安装：在桩侧位置开凿凹槽安装传感器，在既有结构顶面或桩中心附近锤击，采用信号增强技术或多次信号叠加方式，提高信噪比，可以较好地抵抗横向干扰，提高信号的有效成分。

3 仪器设备

由于受到既有结构的约束，笔者建议选用具有较好抵抗横向干扰性能、频率宽、纵向灵敏度>100mV/g的加速度传感器和滤波功能较好的信号采集仪。锤击设备可以选擇重量较大的力锤或力棒，质量轻的力锤或力棒无法激发采集信号或信号振荡严重、桩底反射不明显。现场锤击宜选用软质锤（棒）头或在锤击面铺垫合适的胶垫，这样的激振产生的频率低，高频波信号少。低频应力波脉宽大，在传播过程中衰减慢，适合检测桩身深部缺陷和桩底反射;高频信号脉宽窄，衰减快，适合检测桩身浅部缺陷，但由于受到既有上部结构的影响，采用高频信号分析桩身浅部缺陷容易出现误判。

4 工程实例

海南某港口老码头混凝土灌注桩，桩径为1.0m，现浇梁板结构。基桩裸露部分混凝土冲刷严重，为对码头结构的安全性进行评估，需要检测基桩完整性。本次检测采用顶置式加速度计，在距上部结构底部0.5D桩径位置分别按图1和图2中a、b两种方式安装，安装方式b为在安装位置开凿一个约2～3cm的深楔形槽。在桩中心顶部结构面采用重量30kg、材质刚度低的力棒锤击方式进行采集数据。检测示意图见下页图3。

从图1的时域曲线可以看出，受到既有上部结构无效的下行波和横向分量的叠加干扰，信号震荡严重，对信号的分析解读和完整性判断增加了很大的困难，容易造成误判。图2的时域曲线前段相对复杂，中、后段干扰大大减弱，桩身信息反映基本清晰。曲线中段存在1个明显的同相反射，桩底信号明显。由于码头建设时间较为久远，灌注桩施工日期、桩长、桩身混凝土强度及配合比、地质资料缺失，且无本地区相同桩型及成桩工艺的其他桩基工程的平均声速实测值，因此以平均波速为3800m/s推算灌注桩桩长为22.8m，缺陷位置为11.4m。频谱曲线上桩底相邻谐振峰频度频差Δf=84Hz、缺陷相邻谐振峰频度频差Δf′=169Hz，根据关系式（5），计算桩长为22.6m、缺陷位置为11.2m，与时域信号判断结果基本一致。

由于应力波在传播过程中受到既有上部结构无效的下行波叠加干扰，波形曲线前段较为复杂，但是鉴于传感器安装点距离桩顶一般比较近，所以干扰信号只会影响桩身浅部缺陷的识别。对此，在波形分析过程中，建议跳过波形曲线前段的分析，重点关注曲线中、后段反馈的信息。通常情况下，桩身上部裸露或水下段，一般建议采用目测、声波透射检测或水下摄像、水下探摸等方式进行验证检测。

5 结语

本次低应变检测结果表明，在桩侧采用微破损方式安装传感器、桩顶锤击方式检测既有结构基桩完整性是可行的，可以较好地进行现役码头工程基桩的完整性检测。

但是由于低应变法在现役码头工程基桩完整性检测发展中尚不够成熟，因此在检测过程中，检测人员不但需要具备扎实的行波传播理论基础、低应变应力反射波数据分析处理能力，同时需要具备丰富的工程检测经验，采用合理的传感器安装检测系统。

参考文献：

[1]JGJ/T422-2018，既有建筑地基基础检测技术标准[S].

[2]彭志豪.高桩码头在役桩基完整性检测方法研究[D].天津：天津大学，2008.

[3]柴华友，刘明贵，李 祺.应力波在平台—桩系统中传播的实验研究[J].岩土力学，2002，23（4）：459-464.