桩基无损检测技术的进展
2015-04-02
1 引言
桩基无损检测技术属于工程物探发展出来的一个新领域，不仅成为隐蔽工程质量检测的一种重要手段，工程监理质量评估的重要依据，而且将还成为公路和铁路建设基桩工程中一种必不可少的质量检验手段。但是目前中国还存在大量码头、桥梁、公路和铁路桥桩基尚未彻底检测的，而且进行尚未普及检测和评估服役期的基桩的桩身质量，也没有形成较成熟的技术标准[1]。
桩基检测技术
2.1低应变发射波法
（1）反射波法技术原理
基于Hessein的一纬动力学理论发展而来的动测法目前应用最为广泛，该技术及应用的发展越来越成熟。其测试原理也在于此，某一急震力作于桩顶时，会使桩身产生纵向振动，而当应力波通以桩身为介质进行传播的过程中受到变异波阻抗时，自然会产生反射和投射效应，这种反射信号会由安装在桩顶的传感器接收及先关的仪器收集记录，再通过计算机软件处理分析获得波形和频谱曲线[3]，最后根据波动理论进行分析桩身结构质量，对桩基工程质量做出客观的评估。然而因为手锤敲击的震击力相对小，一维波动理论本身也存在局限性，因此反射波法在实际应用中存在某些缺陷，比如有效检测深度不足、信号分析带有较强主观性、容易受次生反射信号干扰等。
（2）反射波法技术发展
工程师研发出新的改善方法，提高了测试精度，也增强了反射波发的实用性。目前应用前景相对可观的方法有Johnson等人1996年提出的“双速度法”。其测试原理：沿桩身纵向布置两个加速度传感器，并同时测量这两点加速度的时域曲线[4]，根据Lundberg等人提出的实测桩身两点的应变分析出桩身内的上、下行波的理论，通过速度与应变的关系得到下行波的计算公式[5]，再通过两点间距与时差计算出桩身内的波速，从而分离出有效的上行波。实际操作中，2点的实测数据推测出波速之前，必须经过手动或自动调制。由美国PDI公司开研究开发出的仪器及其软件可支持双通道测量，且自动得出上行波。此法尤其适用于对桩顶端连接有上部结构的基桩进行质量检测。而实际案例中，布置多传感器的情况大多数仅用于计算波速，并没有很好地利用实测数据。
“双速度”法也存在一定应用条件：①基桩露出段不低于1.5m，以供传感器安装；①信号分析相对复杂。为了克服实际工况条件的各种不利因素，需要使用者不断总结并积累经验，努力做到能根据具体情况进行改进和调整测试方法，因此应变性要求较高。
1）横波法。横波法是在桩地段和下端附近或位于桩身同侧分别安装1个速度仪，在桩侧横向击震产生1个同时向上和向下传播的弯曲波，其信号分别有2个方向上终端安装的速度仪接受并记录下来，即时显示时域分析结果。其优势在于因为剪切波传播速度远比纵波慢，从而不仅可获得较高的分比率而且其盲区直径较小，有效解决了大直径的小应变测试问题。田冬俊利用Visual C++开发工具编写过纵波和弯曲剪切波的综合拟合程序。目前正在实验阶段的研发工作还在进行，以期开发出操作简便的击振设备，提剪切波信号。
2）超震波法。沿桩测共线等距布置多个接收器，当震击桩顶端或桩身时，便可测得质点速度随时间变化的曲线图。可以通过改变深度，复测获得直达波和反射波的到达时间。平滑连结直达波到达的所有波峰点及反射波的所有波峰点，两条连线的交点为桩底或者缺陷点。超震波法由于需要安装多组传感器，因此需要较大的桩身暴露长度，在实际工程中很难保证满足；对于长时间海水侵蚀及大量的水生生物附着的码头桩基的检测，可能由于桩基表面不能达到平整度要求而很大程度地限制了超震波法的实用性和可信度。
3）纵阻抗剖分析法。由法国房屋和公共工程研究中心（CEBTP）和Paquet在1991年提出的，他们首先通过实测导纳曲线获得与基桩半径相同的无限长的虚拟基桩的理论导纳曲线，再经过相减得出由于缺陷或桩底反射形成的导纳曲，进一步通过反傅里叶变换及相关尺度调节，然后根据反射洗系数计算出各深度处的阻抗，借此判断缺陷位置。该方法的优势：无需丰富的经验，操作简便；读图直观。目前主要的缺陷是在实际应用中计算“无限长”桩的动态响应尚未实现，需要进一步研究。
2.2高应变法
（1）高应变法的原理
高应变法最显著的特征是在检测过程找那个需要配置机械设备对桩体施加能量较大的脉冲式震击荷载，有关规范规定震击荷载能量高达数万kN。期中具有代表性的包括了CASE法，来自PDI公司的Rauche等人于1978年首先发表了关于高应变法检测桩身完整性的论文，但未提到施加震击荷载，期主要内容论证了根据受力和加速度波形的受力与时间的变化，根据受力与速度波形之间的相对变化，计算出桩身内部机构的完整性系数，并作为评估其质量的主要指标。
（2）高应变法的优势和缺陷
1）高应变法的优势有：①剪切波由于波长较大从而可以大大地较少波速损失；②脉冲能量高、抗干扰性强、衰减比率小、信噪比较高，很适用于检测上方承载有结构物的桩基；③比低应变法更有穿透力，能探测到采用低应变法不能测到的桩身内部较隐蔽的缺陷；④低应变波易被水平裂缝反射，在缺陷处和顶端造成往复发射，从而使结果产生误判现象，但是高应变法就不存在这样的缺陷；在对桩基承载力评估上，高应变法优势更为突出、可信度较高，相比之下，低应变法存在很大的不确定性。
2）高应变法的缺陷：①盲区半径大、分辨率较低，浅出缺陷反射波易和下行波形成叠加，造成定位能力比低应变法弱；②成本高、操作复杂、安全系数低。目前高应变法在检测桩基完整性无损检测过程中仅起辅助作用，实际应用较少。
2.3高、低应变法相结合
在实际工程应用中，应采取高、低应变法两种手段的优势，综合运用“双速度”法等改进了的低应变法和高应变CASE法进行检测。低应变发可用于检测桩身近水面一定区域的中、浅层缺陷，高应变法主要用于检测基桩的深部缺陷。
3 结语
无损检测是在不对原有结构造成任何破坏的情况下进行内部结构质量检测试验，在发达国家已经有了应用于评价结构剩余服役年限的制度，也成为建设工程质量检测的主流趋势。低应变和高应变两种检测手段都有其优缺点，且二者的优缺点具有一定的互补性，因此目前高、低应变法结合使用在实际案例应用中起到很好效果。
