结构应变检测

2024-06-10

结构应变检测（精选八篇）

结构应变检测篇1

传统的光纤传感器大部分都是光强型和干涉型的[1]。前者的信息读取是依靠测量光强大小,因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化,这就要求干涉条纹清晰,而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等,使光纤光路灵活和连接方便等优点大打折扣。而且它必须要有一个固定参考点,这样就给光纤传感器的应用带来了难度。

光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外,还有一些明显优于光纤传感器的地方[2,3,3,4]。其中最重要的就是它的信号为波长调制,这一传感机制的好处在于:

(1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响;

(2)避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要,能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串联多个布喇格光栅进行分布式测量;

(3)另外,光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨力和大范围测量,光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构的理想器件。因此自1989年首次报导将光纤光栅用作传感以来,受到了世界范围广泛重视,并且已经取得了持续和快速的发展。

随着光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating FBG)制作工艺的不断提高,特别是FBG自动化生产平台的建立,制作出高性能、低成本的可靠FBG已经成为可能。同时近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟,已经扩大了光纤布喇格传感器的应用,并为职能传感这一新思路创造了一个新的机遇。

2 光纤光栅传感器的基本原理

由耦合波理论可得,当满足相位匹配条件时,光栅的布喇格波长为

λB=2neffΛ (1)

式中,λB为布喇格波长;neff为光纤传播模式的有效折射率,Λ为光栅周期。

布喇格波长的峰值反射率和透射率为

$R = \tan h^{2} (\frac{π Δ n_{\max}}{λ_{B}} L), Τ = \cos h (\frac{π Δ n_{\max}}{λ_{B}} L) (2)$

式中,Δnmax是折射率最大变化量,L是光栅长度。可以看出,Δn越大,反射率越高,反射谱宽越宽;L越大,反射率越高,反射谱宽越窄。

当一宽谱光源入射进入光纤后,经过光纤光栅会有波长为式λB=2neffΛ的光返回,其它的光将透射,反射的中心波长信号λB与光栅周期Λ、纤芯的有效折射率n有关。所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说,光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为

$\frac{Δ λ_{B}}{λ_{B}} = (\partial_{f} + ξ) Δ Τ + (1 - Ρ_{e}) Δ ε (3)$

式中, $\partial_{f} = \frac{1 d Λ}{Λ d Τ}$ 为光纤的热膨胀系数, $ξ = \frac{1 d n}{n d Τ}$ 为光纤材料的热光系数; $Ρ_{e} = - \frac{1 d n}{n d ε}$ 为光纤材料的弹光系数。在1 550 nm窗口,中心波长的温度系数约为10.3 pm/℃,应变系数为1.209 pm/με。如果将FBG封装在温度增敏材料中,可以提高它的温度系数灵敏度,进而得到更大的测量精度。

2.1 光纤光栅系统的组成

光纤布喇格光栅传感器的基本原理,如图1所示,其中包括宽谱光源(如面发光二极管SLED或放大自发辐射光源ASE等)将有一定带宽的光通过光耦合器或者光环行器入射到光纤光栅中,由于光纤光栅的波长选择性作用,符合条件的光被反射回来,再通过耦合器或者环行器送入解调装置测出光纤光栅的反射波变化。当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力等被测量时,光栅自身的折射率或栅距发生变化,从而引起反射波长的变化,解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力等值。

2.2 光纤光栅传感网络的波分复用技术

光纤光栅传感器是对布喇格反射波长进行编码,因此使用光纤光栅数组的优点之一就是光纤光栅单元可以通过波长分辨[5]。当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时,将导致光栅周围或纤芯折射率的变化,从而产生光栅布喇格信号的波长位移。通过检测布喇格波长位移情况,即可获得待测量的变化情况。光栅布喇格发射信号的带宽约为0.3 nm。因此,最简单的想法是在光源的可用波长范围内,给每一个传感光栅都分配一个独特的波长区间,利用宽带光源照射同一根光纤上多个中心反射波长不同的布喇格光栅,使各个光栅的反射峰在各自的波长区间内变化。最后用光谱仪或者其它方法检测出所用光栅的复用光谱,根据预先划定的区间从中找出各个光栅的波长漂移值,从而实现多个布喇格光栅的复用,这就是波分复用的思想。波分复用是FBG传感网络的最直接的复用技术,至今已有不少报道,它是构成各种复杂和大型网络最基本的复用技术。如图2所示,给出了最基本的波分复用系统的原理图。

波分复用网络能复用的FBG传感器数量,主要取决于光源的光谱宽带和待测物理参量的动态范围。例如,若光源光谱带宽为50 nm,待测应变的变化范围为±1 500 με,即光纤光栅反射谱中心波长相应的移动范围为±1.5 nm,各光栅间的中心波长间隔应该≥3 nm,则该网络最多可复用16个传感器。若应变动态范围增大,相应地可复用的传感器数量将减少。

而光源光谱的宽度,既取决于光源本身,也取决于光纤本身的损耗特性。例如,光纤中的OH-离子会在光谱的1.73 μm处产生非常明显的吸收峰,而光纤对1.7 μm以上的紫外光以及1 μm以下的红外光也都有非常强的吸收。对于较长的传输光纤,这种吸收的损耗影响很大,对信号产生很大的衰减。因此,一般使用的光源会避开上述波长,光源光谱的宽度不是无限宽,网络上可以复用的传感器也有数量限制。

3 光纤光栅传感器用于结构应变检测布喇格衍射的条件为

λ=2nΛ (4)

式中,λ是反射光波长,Λ是栅距,n是纤芯的有效折射率。光纤产生应变时,光纤光栅的栅距和折射率发生变化,引起后向反射光波长移动,因此有

$\frac{Δ λ}{λ} = \frac{Δ Λ}{Λ} + \frac{Δ n}{n} (5)$

式中,Δn是折射率的变化,ΔΛ是栅距变化。

首先,光纤产生应变时的折射率变化

$Δ n / n = - \frac{1}{2} n^{2} [(1 - μ) Ρ_{12} - μ Ρ_{11}] ε = - Ρ ε (6)$

其中

$Ρ = \frac{1}{2} n^{2} [(1 - μ) Ρ_{12} - μ Ρ_{11}] (7)$

ε是轴向应变,μ是泊松比。对于典型的石英光纤有n=1.46,μ=0.16,P11=0.12,P12=0.27,则P=0.22。假设

ΔΛ/Λ=ΔL/L=ε (8)

则式(5)可以写为

Δλ/λ=(1-P)ε=0.78 ε (9)

上述公式是光纤光栅应变测量的一般公式。

4 利用悬臂梁的位移应变传感器的设计

在实际应用中,把光纤光栅粘贴到悬臂梁结构上,通过测量悬臂梁不同点上应变的换算得到实际的应变和位移的结果。如图3所示,左侧为被测物体,该物体通过一个突出物作用于竖直放立的悬臂梁,而光纤布喇格光栅粘贴其上,这样就可以通过悬臂梁把被测物体的位移转变为光纤光栅的应变了。图3中光源是发光二极管(LED),接受装置是光谱分析仪(OSA),光耦合器的分光比为1∶1[6,7]。

如果将光纤光栅粘于悬梁臂上考察点x0处,则应变εx引起的光纤光栅布喇格波长移动ΔλB为

$\frac{Δ λ_{B}}{λ_{B}} = (1 - p_{e}) ε_{x} (10)$

而根据力学知识可推导出

$ε_{x} = \frac{3 (L - x) h v}{2 L^{3}} (11)$

其中,L为悬梁臂的长度,h为梁的厚度,x为距固定端的距离,v为梁距其原来位置的挠度。把式(11)代入式(10),可以得到

$\frac{Δ λ_{B}}{λ_{B}} = (1 - p_{e}) \frac{3 (L - x_{0}) h v}{2 L^{3}} (12)$

由式(12)可知,光纤光栅的布喇格波长的移动ΔλB与悬梁臂自由端的应变量v成线性关系,由此可以得到所测部位的应变量。

5 结束语

由于光纤光栅传感器具有其他光纤传感器没有的特点,即波长调制,这个特点使它的测量精确的大大提高,避免了很多误差的计算,是目前最有前途的传感器之一。文中设计出对位移测量的力学模型,利用模型推导出物体形变和布喇格波长变化的关系,如果在此基础上再补充其分布式测量和解调的应用[8],就可以形成一套完善的理论方案。

摘要：分析了光纤光栅传感的优势及其系统组成,它采用波长调制,与光强调制和干涉调制相比,检测结果更加精确。同时利用波分复用等技术,串联多个布喇格光栅进行准分布式监测,对智能化建筑的实现很有帮助,并具体应用到一种力学模型—悬臂梁。

关键词：光纤光栅传感,结构应变检测,悬臂梁

参考文献

[1]赵勇.光纤光栅及传感技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2]廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2000.

[3]赵仲刚.光纤通讯与光纤传感[M].上海:上海科学技术文献出版社,2004.

[3]刘瑞复.光纤传感器及其应用[M].北京:机械工业出版社,1999.

[4]Gu X L,Chen Z Y,Ansari F.Method and Theory for a Multi-gauge Distributed Fiber Optic Crack Sensor[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2000,10(4):266-273.

[5]Spillman WB,Huston D R.Smart Civil Structures Tech-nology-potential Applications for the Three Gorges Dam Project[C].1CHNICIS99,1999:1-11.

[6]Inaudi D,Vurpillot S,Ldd E.Long-gauge Structural Monitoring for Civil Structures[C].SPIE,1998,3489:93-100.

结构应变检测篇2

摘要：随着我国日益城市化的发展，建筑事业也在逐渐壮大。其地基基础工程是公路建设工程的重要组成部分，而基桩是地基基础中最常用的基础形式。桩基工程施工质量好坏直接关系着整个建筑结构的安全性和实用性，而桩基检测方法可以实现对建筑工程的质量控制。高应变动测法是桩基工程验收、桩身质量控制的常规手段，也是桩基竖向承载力的重要补充。因此，本文针对高应变检测技术的原理、方法以及在工程基桩检测中进行探讨。

关键词：高应变检测;原理方法;技术探讨

我国基桩高应变动力检测理论研究与实践始于20世纪70年代.自80年代以来，以波动方程为基础的高应变法进入了快速发展期.由于采用高应变进行承载力检测具有工期短、成本低、效率高等特点，促进了其适用性、可靠性的研究，同时加快了高应变法的推广。桩基工程施工质量直接关系着建筑结构的安全，然而在实际施工过程中，桩基工程各项指标不可避免会受到地下水等不良因素、施工工艺缺陷的影响，加上桩基工程属于隐蔽工程，大大加大了施工质量审查难度。所以，桩基的检测工作可以有效实现对建筑工程的质量控制，而高应变检测技术更成为当前桩基工程中桩基承载力确定、桩身质量控制的重要方法。

一、高应变检测原理和方法

1.高应变动测原理

高应变所用理论基础，计算方法与低变相同，，但低变由于桩与土体系变形极小，不考虑阻尼的非线性影响。高变锤击能量大，桩土变形明显出现非线性关系，还要考虑土弹簧，甚至是土阻尼的非线性，建立了各种力模型。高应变检测承载力的准确度与合理拟合土参数直接相关，要求利用静载试验进行辅助拟和。相较低应变检测方法，高应变检测最主要的特征是利用高能量锤的冲击使土体产生永久变形，以此来激发桩侧土的摩阻力和桩端阻力，在检测大直径桩和桩长较长的桩的桩身完整情况方面具有极大优势。在实际检测中，锤击方法，锤击能量的充分击发与否，传感器安装正确与否都在很大程度影响了检测结果。

2.高应变确定基桩承载力的方法

（1）凯斯法

凯斯法种简化分析方法，先列出一定的假设条件求出一维波动方程的一个封闭解，建立起土阻力与应力波之间的一个简单关系，进而求得基桩极限承载力与桩身所测得的压力和质点速度值的关系。在实际工程基桩检测中，应用凯斯法要事先选定土的阻尼参数，加之计算公式是在人为假定的基础上推导出的，存在一定局限性。凯斯法判定单桩极限承载力只限于中、小直径桩，所以影响了凯斯法检测的准确度。

（2）波形拟合法

波形拟合法是凯斯法和史密斯法的结合，有效克服了凯斯法的缺陷。其基本思路是，在锤击过程中，采集两组实测曲线，即力随时间变化曲线和速度随时间变化曲线。借助分析其中一组曲线，利用高精度的计算机程序将计算值与实测值反复进行比较和迭代，若不满足则不断调整假定参数值试算，直到计算值与实测值相符合，最终得到符合实际的参数值，即得到较准确的单桩承载力、桩身完整性、桩侧摩阻情况，这种方法大大降低了分析过程中人为因素带来的误差。大量试验和动静对比表明，波形拟合法是一种较为成熟的承载力确定方法，准确性和可信度均很高，必将成为高应变动测法的主流

二、高应变检测的方法

1.原始材料的收集

正确收集原材料是测试准确的前提，高应变动力测试现场数据收集的质量直接关系到计算结果的准确性。由于在高应变检测中基桩检测准确度受到地质条件、桩长资料等影响，若使用凯斯法进行检测，地质资料不完整或不完全准确会使检测结果产生较大误差;使用使得曲线拟合法进行检测，也需要首先假设桩土参数进行试算，对地质资料进行详细分析能在一定程度上避免试算的盲目性。此外，若没有完整的桩长资料，则无法确定桩体波速，检测很可能会失效。当然，实际分析计算中，参考资料不能与实测数据相提并论，当资料缺乏或不准确时，应从实测数据中进行分析，得出结果。

2.桩头处理

在高应变检测中波的传播效果直接受到桩头质量好坏的影响，由于桩头直接承受和传递冲击荷载，在锤击能量过大的情况下，为缓冲锤击能量，延长荷载作用时间，保证桩头均匀受力，应配置桩垫。也可先将桩头薄弱段除去，另浇制一接长段，用以承受冲击荷载，为避免连接处出现反射而影响检测准确性，接长段阻抗应与原桩阻抗基本相同。再对桩头进行加固处理，加固后的桩头应有足够的强度且桩顶面平整，桩头中轴线与桩身上部中轴线应重合。

3.安装传感器

高应变检测中用到的传感器包括应变式力传感器和加速度传感器。传感器在锤击过程中出现滑移会影响到数据采集质量，因此，传感器必须牢固安装，不能因锤击振动而引起松动或接触不良，尤其力传感器位置要有良好的平整平面，用膨胀螺丝紧固于桩身完好的新鲜混凝土面上，以保证传感器和桩身一起变形。

4.锤击

基桩检测中高应变检测的主要目的是确定基桩承载力，而基桩承载力即土对桩的静阻力与桩土位移有关，土对桩的动阻力与桩土速度有关。受到锤击作用影响，桩身不可避免会出现动阻力，但利用桩身速度近似值计算动阻力值存在较大误差，且误差随桩身速度的增加而增加。為此，必须掌握好锤击能量，使其既能使桩土产生足够大的位移，又能避免过大桩土速度的产生，通常，当桩身阻抗较大时，应增加锤击能量，而当阻力较小时，采用桩极限承载力1%的锤重即可，每根桩可锤击1-3锤。

5.检测时间的选择

桩顶被锤击后，桩周围土体会被扰动，强度降低，这就使整个桩土体系的承载力降低，然而，随着时间的推移，桩周土体强度会逐渐恢复并增加，基桩承载力、混凝土桩强度都会随之增强。所以，高应变检测时，应合理选择测试时间，不应过早，以免低估基桩承载力，导致检测结果出现误差。

三、加强砼强度对检测数据的影响

1、要取得桩基高应变试桩的真实数据，就需要确保检测的采集数据真实可靠程度较高，进而才能确保采集数据的速度曲线理想。因此，这就要求在这一过程能够严格按照规程要求及相应标准掌握好砼灌注桩的强度等级，以此才能使高应变检测数据真实完整。

2、承载力数据和静载加以对比。通过大量的实践检测可知，高应变动力试桩一般对预制桩型非常配套。也就是说，在实践检测试桩中，其检测的承载力数据和静载数据加以对比后的误差程度较小，但是在实际中的砼灌注桩的承载力数据和静载之间的数据误差却相对较大。所以，由此可见在实践检测试桩过程中，高应变力动力检测具备的要求相对较高，应当满足一定的作业检测要求，并能够将实际情况按照规程加以周全考虑才能逐步消除一些限制因素。

四、结束语

总而言之，高应变检测技术已广泛应用于基桩承载力检测中，它能够有效地补充和部分取代传统的静载荷试验，使检测数量大大地提高，检测费用大幅度下降。与此同时，使桩基工程的质量得到了更好的保障。其不仅能够检测出桩基竖向承载力，还能检测桩身完整性，具有很高推广和应用价值。当然，我们也应在具体工程实践中不断积累总结经验，在对桩基做出正确评价时，对高应变检测技术做出进一步完善，最大限度发挥其在工程质量控制、进度控制方面的价值。因此，要重视动静对比试验，积累桩基工程中的实践经验。求得较为适合当地工程的计算参数。进一步提高高应变动力检测的可靠性。

参考文献：

[1]梁化强，周玲玲.高应变动力测桩法在工程桩性状分析中的应用[J].山西建筑，2005，（09）：60-61.

[2]谭海英.高应变动力测试技术在基桩检测中的应用[J].山西建筑，2008，5.[3]梁如福.浅谈高应变检测在工程基桩检测上应用以及注意的事项[J].科学之友.2010，（6）：52-53.

浅析低应变基桩检测技术篇3

随着我国桥梁和高层建筑的发展, 桩基工程越来越多的作为一种常用的基础形式而被广泛采用, 目前国内外一般首选的是应力波反射法 (锤击波动法) 、声波透射法其中由于低应变法方法测试快速、简单等特点应用最为广泛。本文首先叙述低应变反射波法的发展及其基本原理及其具体实施步骤, 并根据工作经验提出了作者认为现行方法中的不足及可能的解决方法。

1基本原理和假设

低应变法现已普遍用于检测混凝土桥桩的桩身完整性, 判定桩身是否存在缺陷、缺陷的程度及其位置。经过多年的发展, 现在已经形成较为成熟的技术经验。其基本原理低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。将桩身假定为一维弹性杆件 (桩长>>直径) , 在桩顶锤击力作用下, 产生一压缩波, 沿桩身向下传播, 当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时, 将产生反射和透射波, 反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。安装在桩顶上的传感器, 将接收到来自桩身各个波阻抗Z变化界面处反射上来的信息, 经接受放大、滤波和数据处理根据这些信息, 可对桩身完整性质量进行分析判断。

2检测实施过程

2.1资料的收集及现场信号采集

为更好地对桩的质量进行分析和判断, 在测试前应收集包括以下各项资料:

2.1.1必须对测试工地的有关资料进行全面的收集和了解, 其中包括收集工地的地质资料, 查阅岩土的物理力学指标, 弄清土层的分布和走向, 特别要了解在基桩长度范围各地层的含水量、孔隙比、压缩模量、容重、内摩擦角、地基承载力以及侧摩阻力和端阻力的建议值。

2.1.2应查阅本工程桩的施工资料, 详细了解桩的施工顺序, 核准桩机型号、落距和贯入度。

2.1.3应了解混凝土的配合比, 钢材的规格, 钢筋笼的长度, 水泥、骨料规格以及试块的抗压强度, 并参阅测试桩的充盈系数, 塌落度和龄期等。

2.1.4应查阅基桩施工记录, 特别应了解工地内基桩施工过程中曾出现的事故及事故处理过程。

2.1.5应收集工地在施工过程中进行井径和沉渣测试的资料, 以便分析桩的扩径和缩颈与地层和施工的关系。

2.2信号分析处理

现场测得的时域波形虽然存在不同程度的干扰, 但其仍旧是不可替代的原始资料, 因此, 对其进行分析和判断, 是室内资料处理过程中较为重要的一步。

3要点分析

3.1桩头处理

在现场信号采集工作中, 桩头的处理是测试成功的第一关键, 但在大多情况下, 很多测试人员忽略了这一点。由于施工的原因, 往往桩头部分有素混凝土 (浮浆) , 这层浮浆杂质多, 有许多小蜂窝、强度低, 对应力波传播衰减很快, 使应力波不能沿桩身向下传播, 所测得的时域波形不能反映桩的其实情况。有些测试人员忽略了对桩头的处理, 直接就在素混凝土 (浮浆) 上进行测试, 结果无论怎么改变传感器以及传感器的安装, 无论怎么改变振源, 测试信号都不理想, 往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲。一般情况下, 桩头应为达到设计标高的有效桩头, 必须凿去表面浮浆, 处理到有新鲜含骨料的混凝土为止, 且桩头不能破碎, 含水, 不能有杂物, 要尽量保证桩头干净, 平整。测点必须用电动砂轮打磨, 以便安装传感器, 测点处不得留有任何缺陷, 测点位置应位于距桩心2/3倍半径左右, 有利于传感器的安装和力棒的锤击。以消除表面波对所采集信号的干扰, 这点对大直径桩 (桩身直径大于0.80m) 显得尤为重要。

3.2传感器的选择与安装

传感器是基桩反射波检测中最基本的重要测试元件之一, 它直接与被测桩相连接, 将机械振动参量换成电信号, 它的性能参数的好坏, 直接影响到转换电信号的数据是否真实地反映桩本身的反射信息。传感器与被测桩之间, 应刚性接触为一整体, 这样的传递特性为最佳, 测试的信号也越接近桩体表面的质点运动。传感器的频率响应特性应能满足不同的测试对象、不同测试目的的需要。当检测长桩的桩端反射信息或深部缺陷时, 应选择低频性能好的传感器;当检测短桩或桩的浅部缺陷时, 应选择加速度器或宽频带的速度传感器。对实心桩的测试, 传感器安装位置宜为距桩心2/3~3/4半径处;对空心桩的测试, 锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上, 且与桩中心连线形成90°夹角, 传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。对于直径在600mm以上的钻孔 (人工挖孔) 灌注桩, 应放置2-3个传感器, 有条件时在桩上分别放置高阻尼加速度计及速度传感器, 通过对多重信号的对比分析, 增加信号分析的准确性。

3.3激振锤与锤击点的选择

反射波法测桩时, 应准备几种锤头, 对长大桩测试一般应当用力棒或大铁球或击振, 其重量大、能量大、脉冲宽、频率低、衰减小, 适宜于桩底及深部缺陷的检测, 桩底及深部缺陷的信号反射较强烈。但由此很容易代来浅层缺陷和微小缺陷的误判和漏判。当根据信号发现浅层部位异常时, 建议用小钉锤或钢筋进行击振, 因其重量小、能量小、脉冲窄、频率高, 可较准确的确定浅层缺陷的程度和位置。

经常有测试人员拿把小锤去测长大桩, 并反映很难测到桩底反射。按以上的原理, 这样的测法是不正确的。由于小锤重量小、能量小、脉冲窄、频率高、衰减快, 因此信号在桩身中传播有可能未到桩底就衰减完或即使传到桩底反射回来的信号也很微弱极难分辨。由此可见, 用小锤测长大桩, 并想得到桩底反射, 大多数情况下是很困难的。另外, 敲击质量的高低将直接影响到测试结果的优劣, 要由经验丰富的熟练工人来操作。在激振过程中要求落锤尽量垂直, 有利于抑制质点的横向振动;激振时尽可能短, 并不要连激, 防止后继波的干扰;激振能量要适中, 频谱成份的主频与桩身的形状、材料的物理性质相适配, 以使应力波得到最佳的传播。

4低应变反射波法的局限性与改进分析

在实际工程检测中, 利用测得反射波曲线信号准确地判断桩身质量, 排除工程隐患, 对基桩的质量评价是至关重要的。但工程中经常出现对桩基检测结果的误判, 致使工程技术人员对该种检测方法的可靠性提出质疑。低应变存在的一系列局限性, 导致检测的不确定度高, 需要人为掌握的尺度多, 所以在得不到解决的时候, 其结果会令人难以接受。

对长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷, 低应变反射波法无法正确测量。高频信号传不下去, 测试范围有限, 低频信号分辨率不够, 容易漏判缺陷等等。对此必须加以改进。

检测过程中对分析结果的影响因素较多, 如施工噪音等;计算公式为二元一次方程, 桩长和波速很多时候都是未知的, 平均波速与砼强度之间的关系无法准确给出。所以存在多解;定性分析结果人为因素多, 不能够得出定量分析结果;经验因素多, 理论依据少。在整个检测过程中基本无法完全依据理论来判定检测结果;低应变技术并不是定量测试, 就连缺陷的位置都是估算的, 桩长也是估算的, 仅仅只能将缺陷程度定性给出。就算使用目前的双加速度计测试, 也仅仅是推算。无法获取整个桩身的完整性信息, 离委托方的期望值相差较远;多节预制桩的检测中, 只能测出来上段的完整性以及接桩是否良好。中下段, 低应变技术是无能为力的, 因为桩身不连续。若桩身存在多个缺陷时, 深部缺陷容易误判。部分实际存在的缺陷, 并不能明确体现在波形曲线中。

5结束语

低应变反射波法检测以其测点多、经济、便捷等优点, 应用十分普遍, 但也存在着缺点和不足。对低应变反射波法检测有问题的桩, 建议再利用其他的检测方法进行综合测试。

参考文献

[1]陈凡, 徐天平等.建筑基桩检测技术规范[S].2003.

[2]刘屠梅, 赵竹占, 吴慧明.基桩检测技术与实例[J].2006.

[3]陈凡, 徐天平, 陈久照, 关立君等.基桩质量检测技术, 2003.

结构应变检测篇4

1 桥梁桩基检测分析

桥梁桩基检测实际上是在桩基的顶部加上一个振动器, 并通过传感器接收检测信号, 管理人员通过对检测信号和数据的分析来制定桥梁工程施工质量管理方案。如今, 我国桥梁工程桩基检测技术有以下几种:一是桩基载荷试验法, 二是高应变法, 三是低应变法, 四是钻芯法, 五是声波法。其中, 低应变法在桥梁工程检测中应用的比较广泛。低应变检测技术具有以下特点:一是能量比较小, 二是费用低, 三是操作便捷, 四是携带轻便。除此之外, 低应变检测技术的震动性较小, 不会对桥梁桩基造成破坏。低应变检测技术可以判定出桩基的缺陷, 更好的保证桥梁的施工质量和施工安全。

2 低应变检测技术分析

2.1 低应变检测技术应用原理

低应变检测技术主要是通过反射波来实现质量检测的, 应力波会在桩基中产生反射反应, 在应用该技术对桩基进行检测时, 桩基与周围的土质波阻会存在一定的差距, 反射波会在桩基内快速传播。

2.2 低应变检测技术应用前的准备

在应用低应变桩基检测技术之前, 检测人员必须到施工现场进行勘察分析, 了解桥梁工程的施工情况和施工技术应用情况, 这样才能保证低应变检测技术应用的合理性。除此之外, 检测人员还要对桩基进行检查分析, 了解桩头的特点和密实度, 查看桩头中是否存在杂物, 是否出现疏松情况。如果检测人员发现桩头内存在杂物或者泥土, 检测人员必须细心清除杂物, 保证检测工作开展的合理性。在桩基检测之前, 工作人员还要对桩基打磨, 应用砂轮, 打磨必须保持光面4个, 光面的直径不能小于8cm, 而且还要处理裸露在外的钢筋, 如果钢筋露在外部的长度过长, 钢筋就很容易裹上沙团, 影响检测数值的准确性。在桩基打磨平整后, 检测人员可以在桩基的光面安装传感器, 但是一定要合理的确定桩基的位置。检测人员还需要合理的安排桩基检测时间, 需要在桩基施工完成29d以后才能进行检测, 如果时间相差的比较大就无法保证检测数据的准确性。

要想保证低应变检测技术应用的合理性, 施工企业必须加强监测人员培训, 加大人员培训方面的资金投入, 派遣检测人员外出学习专业知识, 丰富检测人员的知识储备, 开拓眼界, 积累检测经验。施工企业还可以从外部聘请专业的检测人员, 壮大检测人员队伍。除此之外, 施工企业还应该在检测人员内部设置奖励机制, 对表现优秀的检测人员给予一定的物质奖励和精神奖励, 提高检测人员工作的积极性和热情。但是, 对于表现不佳的检测人员, 施工企业也要给出相应的惩罚, 规范检测人员的行为, 进而保证检测数据的真实性和准确性。

2.3 数据的收集和整理

在桥梁桩基检测过程中, 传感器是桥梁桩基检测的关键设备。因此, 检测人员必须选择高质量的传感器, 只有保证传感器的质量, 才能保证检测数据的准确性。传感器必须和桩基的光面紧密衔接, 不能存在缝隙, 检测人员为了保证传感器和桩基的紧密性会在传感器底部涂抹黄油。检测人员在检测完成以后需要建立数据档案, 并定期更新数据档案, 才能保证检测数据和实际检测结果相符。除此之外, 施工企业还必须加强检测数据安全管理, 做好数据备份, 避免检测数据丢失。如果检测数据丢失必定会给企业带来巨大的经济损失, 而且会影响检测工作的开展进度。

2.4 数据的处理

虽然低应变检测技术已经广泛应用于桥梁工程检测中, 但是低应变检测技术在应用过程中还存在一定的缺陷, 会对桥梁工程的施工质量和施工安全有很大影响。桥梁工程的桩基需要具备以下因素:一是波速, 二是桩基反射信号, 三是曲线信号。但是, 桩基底部土质的沉淀情况会对桩基检测产生一定的影响, 检测人员必须充分考虑到外部因素对检测曲线的影响。如今, 传统的检测数据处理技术已经无法满足检测数据处理需求, 施工企业必须引进先进的检测技术, 合理的处理检测数据。桩基检测是桥梁工程施工中必不可少的环节, 而且需要贯穿桥梁施工全程, 更好的保证桥梁工程的施工质量和施工进度, 避免安全事故的发生。地基是桥梁工程施工的关键环节, 也是低应变检测技术应用的关键环节。检测人员需要加强地基检测管理, 保证桥梁工程地基的稳定性。

3 结束语

低应变检测技术的震动性较小, 不会对桥梁桩基造成破坏, 这也是低应变检测技术广泛应用于桥梁工程检测中的原因之一。在应用低应变桩基检测技术之前, 检测人员必须到施工现场进行勘察分析, 了解桥梁工程的施工情况和施工技术应用情况, 这样才能保证低应变检测技术应用的合理性。检测人员还要对桩基进行检查分析, 了解桩头的特点和密实度, 查看桩头中是否存在杂物, 是否出现疏松情况。检测人员还需要合理的安排桩基检测时间, 不能盲目开展检测工作。施工企业还必须加强检测数据安全管理, 做好数据备份, 避免检测数据丢失。要想保证低应变检测技术应用的合理性, 施工企业必须加强监测人员培训, 检测人员需要不断积累检测经验, 提高自身的专业水平和综合素质。

摘要：随着社会的快速发展, 建筑行业也得到迅猛发展。如今, 桥梁工程的数量逐渐增多, 人们对桥梁桩基稳定性的关注程度逐渐提高。桥梁工程桩基的稳定性不仅关系到施工人员的生命安全, 也关系到施工企业的发展和社会稳定。因此, 施工企业必须认识到加强桥梁工程桩基质量管理的重要性。但是, 随着桥梁工程规模的不断扩大, 传统的桥梁工程检测技术已经无法满足桥梁桩基检测需求。低应变检测技术的应用不仅可以提高桥路工程桩基检测效率, 还可以保证检测数据的真实性和准确性。

关键词：低应变检测技术,桥梁桩基,应用

参考文献

[1]段文旭.低应变法和声波透射法在桩基检测中的综合应用研究[D].成都:成都理工大学, 2014.

[2]谭敏, 揭选红.无损检测技术在桥梁桩基检测中的应用思路研究[J].科技资讯, 2014, (10) :92+94.

结构应变检测篇5

但由于钢筋混凝土灌注桩桩基工程属地下隐蔽工程,施工场地地层和施工工艺存在差异,在施工过程中不可避免的存在着一些质量隐患。传统的桩基检测方法——静载法测桩虽已被广泛采用,但由于该种方法费时、费工、费用高,且难以加大抽检数量及抽检的随机性,自20世纪60年代以来,动力测桩在国外开始研究与应用。我国的动力测桩技术自70年代中期开始起步,80年代正式用于工程实践,到目前为止动力测桩技术已成为传统检测技术的有力补充,测试方法得以列入国家行业标准。

1 高应变法的基本原理

高应变测试是用重锤冲击桩顶,使桩周土产生弹塑变形,实测桩顶附近截面的力和速度时程曲线,经应力波理论分析计算,对单桩竖向抗压承载力和桩身完整性进行判定的检测方法。其主要功能是判定单桩竖向抗压承载力。高应变检测技术是从打入式预制桩发展起来的,试打桩和打桩监控属于其特有的功能,是静载试验无法做到的。

在高应变检测技术中,对桩体本身做了以下基本假定:1)桩是一个时不变的系统,即桩的基本特征在测试所涉及的时间内可以看作是固定不变的。2)桩是一个线性系统,即桩在总体上是弹性的,所有的输入和输出都可以简单叠加。3)桩是一个一维的杆件,即桩身每个截面上的应力应变都是均匀的。4)破坏发生在桩土界面。

高应变动力试桩的具体做法是:1)用高能量的冲击荷载实际考核桩土体系。一般说来,冲击下的桩身瞬时动应变峰值要不小于静载荷试验至极限承载力的静应变值。2)实测时,采集桩顶附近有代表性的桩身截面的轴向应变和桩身运动加速度的时程曲线,通过必要的布点和计算,获得该截面的轴向平均内力Fm(t)和轴向平均运动速度Vm(t)。3)在实测数据中包含了桩身阻抗和土阻力的分段分层信息。4)根据桩土体系的实际工作机理建立数学模型,运用一维波动方程分析实测数据,就能获得有关桩身完整性和桩土体系承载力的结果。5)在长期和大量的静动对比的基础上,可以根据上述的实测数据和分析结果有根据地推断单桩极限承载力。

2 工程实例

2.1 工程概况

某工程采用钻孔灌注桩,成孔工艺为回转、冲击,桩身混凝土强度等级为C40,基桩参数及承载力特征值见表1。

2.2 场地地层概况

场地地层概况见表2。

2.3 高应变测试

由于工期紧,在进行静载荷试验的同时,采用高应变进行补充测试,本次共测试800 mm直径的桩4根,测试结果见表3。其承载力平均值7 528.6 kN,极差338.3 kN,极差小于平均值的30%,依据JGJ 106-2003建筑基桩检测技术规范第9.4.11条的规定:4根工程桩的单桩竖向抗压极限承载力统计值为7 528.6 kN,相应单桩竖向抗压承载力特征值Ra=3 764.3 kN。静载荷试验结果为7 514 kN,完全保证测试精度,缩短了检测时间,赢得了工期。

3 结语

高应变动力检测是一种近代高技术成果,其在钢筋混凝土灌注桩承载力检测和完整性检测中的成功应用,有效地补充和部分取代传统的静载荷试验,通过积累动静对比资料,使高应变测试的可靠性、准确性得以提高,通过实测信号进行拟合,可以得到分层的土阻力信息,检测桩身的完整性,得到比静载荷试验更加丰富和详细的实际数据,大大增加了检测数量,检测费用和检测对工程的延误都大幅度下降,与此同时,桩基工程的质量却得到了更好的保障。

参考文献

[1]JGJ 106-2003,建筑基桩检测技术规范[S].

[2]JGJ 94-94,建筑桩基技术规范[S].

低应变法检测桥梁灌注桩的要点篇6

关键词：低应变反射波法,桩基,激振方式

低应变反射波法作为一种快速普查桩的施工质量的半直接法,具有测试设备轻便简单、检测速度快,成本低等优点,愈来愈多的应用到了工程检测中。低应变反射波法的理论基础建立于波动力学,假设桩是一根细长的杆体,并假设一维平面应力波沿桩身传播。测试原理是:利用手锤(或力棒)在桩头施加一小冲击扰动力,激发一应力波沿桩身传播,然后利用速度传感器或加速度传感器接收由初始信号和由桩身缺陷或桩底产生的反射信号组成的时程曲线(或称波形),最后利用低应变仪记录的带有桩身质量信息的波形进行处理和分析,并结合有关地质资料和施工记录作出对桩的完整性的判断。操作虽然看似简单,然而在桩基反射波检测中,有些问题必须引起足够的重视,否则很容易出现误判结果,经过几年的检桩实践,我总结了以下几点。

1 资料的收集要全面

低应变反射波法检测桩一般是靠反射波的波幅、频率、相位来推断、评价桩身完整性的,由于桩身中的缩颈、离析、空洞、夹泥等缺陷在反射波曲线上体现的特征基本上是一致的,故而仅从波形上无法确定何种缺陷。施工地质、地层的变化也会引起反射波的相位变化,有时也会发生误判。所以,检测者在检测前必须收集与掌握桩基从钻孔、浇筑到完成全过程的技术资料。

1)施工现场的工程地质勘察报告,水文概况;施工过程中的钻孔进尺记录,地层变化记录;2)灌注桩成孔方式、成孔工艺;3)浇灌环境(水下或干孔);混凝土搅拌方式、运输方式、运距,浇筑工艺;4)混凝土搅拌站每盘搅拌记录,施工配合比,每根桩基总计浇灌的混凝土方量;5)施工日记,是否在浇筑过程中有诸如停电、卡管、导管拔出等事件;6)成孔后检测情况。

根据以上所掌握的第一手资料,结合波形分析,才可能较准确的分析判断桩身完整性及缺陷的性质。例如成孔检测时采用同直径的钢筋检孔器检测过孔径,基本上可以排除缩颈的可能。

2 桩头处理要平、稳、净

桩顶条件和桩头处理的好坏直接影响测试信号的质量。JTJ041-2000公路工程桥涵施工技术规范规定:桩头部分应比设计标高高出0.5m～1.0m,然后采用合适的方法破除桩头可能存在质量缺陷的部分。桩顶处理要达到平、稳、净:“平”就是将桩顶凿平,并用砂轮打磨机磨出四个平面。一个位于桩的中心位置,为激振点;另外三个位于1/2R～2/3R处,基本呈正三角形分布,为传感器安装点;“稳”就是凿除桩头部分后要无混凝土浮浆,无有裂缝的混凝土,无破桩后留下的松散混凝土,力求传感器稳固、紧贴地安装在桩顶面;“净”就是在桩顶面无积水,污泥,无砂石尘屑。

3 传感器的安装与耦合要到位

一般来说,加速度传感器频响比速度计要宽,通常用在局部缺陷和浅部缺陷检测,而速度计对长桩或深部缺陷较合适。不论选择哪种传感器,稠度低的黄油、油性橡皮泥、粘性低的口香糖、颗粒粗的粘土以及调得过干或过稀的石膏均不能用于耦合传感器。安装时传感器必须垂直于桩顶面,单方向用力旋压,使其紧贴安装面。坚决杜绝采取用手直接按住传感器的方法进行检测,避免由此产生实测信号的严重寄生振荡而不能真实地反映桩身质量的实际信息。另外,传感器应安装在距桩中心1/2R～2/3R处,并且远离钢筋笼主筋,以减少外露主筋振动或晃动时对测试信号产生干扰。

4 选择合适的激振方式

公路工程采用的桩基一般直径较大,深度一般都在20m以上。故而,激振点宜选在桩的中心位置:1)可以避免偏心振动;2)此处由激振引起的表面波从桩侧来回反射产生的干扰信号为最小。刚度较小的重锤,入射波脉冲较宽,含低频成分较多,加上激振能量较大,弹性波衰减较慢,适合于获取桩深部缺陷或桩端反射信号;刚度较大的轻锤,入射波脉冲较窄,高频成分较多,激振能量较小,更适合于桩身浅部缺陷的识别及定位。在实践中,可以分别用加速度计配合铜质锤头力棒和速度计配合尼龙头力棒激振采样。同时,激振时要垂直于桩顶平面,尽量自由落体,干脆利落,这样可以减少其他无效信号,获得较好的波形曲线,以利下一步的判读。

5 结果分析要客观

结果分析时,应先判断各种锤(或力棒)、各种传感器及测试点之间信号的一致性,即各波形曲线、相位、桩顶、桩底反射信号之间是否接近一致。

首先,选取合理的波速。波速的取值越接近实际值,判读桩身的缺陷位置才能较准确。

据有关资料,混凝土强度与纵波波速的相关关系为:

其中,σc为混凝土抗压强度,MPa;V为混凝土的纵波波速,km/s。

在测试前应根据上式结合混凝土骨料品种、粒径级配、水灰比和混凝土龄期等因素综合确定波速。当桩长已知、桩段反射信号明显时,选取相同条件下不少于5根Ⅰ类桩的桩身波速计算其平均值为佳。

其次,信号放大应适中。在检测时,为防止敲击波形飘移,指数放大宜设置较低值。在分析时,为清楚地发现桩底反射,必然要适当地增大指数信号,但是不适当的指数放大会使缺陷信号夸大,波形畸变,造成误判。

第三,要结合检测前收集的工程地质、施工记录等资料,综合判定缺陷的类型。例如人工挖孔桩,不可能出现缩颈;钻孔灌注桩导管拔脱、浇筑过程中停电,可能引起断桩、夹泥;混凝土搅拌过程中水泵或水泥输送泵出现计量系统工作不正常、材料变异等导致混凝土拌合物离析;吊放钢筋笼时刮蹭孔壁引起坍孔,则可能出现夹泥等缺陷。

6 数据收集、保存要及时

桥梁桩基一般施工周期长,施工工序间衔接紧,桩基检测合格后马上要进行下一步的系梁、承台等施工。JTG/TF81-01-2004公路工程基桩动测技术规程明确规定:公路工程基桩应进行100%的完整性检测。故而一座桥的桩基一般少则几次,多则十几次才能完成检测。笔者今年检测一处桥梁的桩基,40根桩往返工地8次才全部检完。这就要求测试人员要勤保养仪器,及时充电,保证仪器的正常使用,每次检测前要设置好工地,检测工作结束后必须将数据及时存储与上传至计算机,并要有每一桩基对应的编号,以免混淆或由于其他原因引起数据的丢失。

7 结语

低应变法检测桩基完整性是一种仪器设备简便易携、检测速度快,费用低廉的良好的检测手段,同时,又是一种技术性加经验性很强的试验,检测人员不仅要会操作,而且要有相关的地质、施工、设计等方面基本知识,还须具有较强的综合分析能力。当然,需要注意的环节还远不止这些。因此,需要检测人员不断探索,不断积累才能保证低应变检测数据的准确性。

参考文献

[1]JTG/T F81-01-2004,公路工程基桩动测技术规程[S].

短桩或超短桩的低应变检测篇7

一维线弹性杆件模型是低应变法的理论基础,因此受检桩的长细比、瞬态激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5[1]。但由于低应变法简便快捷,在实际工程灌注桩完整性检测中经常会碰到用该法对短桩或超短桩进行完整性检测验收,而这些短桩或超短桩的长细比并不能满足大于5的要求,有些超短“桩”或者只能称之为“墩”,针对这些长细比很小的灌注桩,低应变法是否适用且应注意些什么问题。

1 工程实测

广东省顺德区某工地A因地质岩层浅,钻孔灌注桩皆很短,长细比在2～13内变化,混凝土强度C25,该批桩完整性检测采用低应变法,因检测结果大部分桩底欠岩效果不满足设计要求,且部分桩存在桩长偏短的现象,故采用钻芯法进行验证。结合钻芯的桩长结果和低应变法的桩底反射时间可以确定桩体内的波速,如图1所示,可见随着L/D从2～12变化,波速有从4 100 m/s向3 700 m/s减小的趋势,L/D约在6～7时波速相差较远,初步可以认定该批桩近似一维杆件时的纵波波速大约在3 700 m/s～3 800 m/s,而接近三维体的纵波波速大致在4 000 m/s～4 100 m/s附近。

其中,某根桩的钻芯结果桩长为4.45 m,桩径1 600 mm,L/D为2.8,低应变测试信号见图2,可见波速为4 100 m/s,而若起初设置波速为一维波速3 700 m/s,则从图3中可知,桩长仅为4 m,相对误差为10%,桩长判断则明显偏短,所以超短桩的纵波波速需依据不同长细比来设定,避免对桩长或桩身缺陷位置判浅。

由于该工地灌注桩都很短,低应变检测时尽量采用了锤体材质较硬的振源,波长在1 m左右较为合适,若锤较重较软,则波长较大,难以判别桩底反射波的位置和桩身的变化情况。故对于短桩或超短桩的低应变测试,需回归到三维状态分析,并不能一味地追求脉冲波长桩径比宜大于5的规范要求。

广东省顺德区某工地B有和工地A同样的情况,长细比从2～11变化,混凝土强度C25,相应纵波波速如图4所示,波速变化趋势与图1相似,L/D约为6时波速相差较远。

2 模拟计算

LS-DYNA是世界上著名的通用显式动力分析程序,特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞等非线性动力冲击问题[2],同样非常适用于锤击脉冲在三维桩体内传播的计算[3]。

通过LS-DYNA建模模拟铁锤锤击灌注桩,材料参数见表1,皆假定为弹性体模型,设定锤体模型和桩径不变,依次设置桩体长细比L/D从2～15变化。计算结果表明脉冲在短桩或超短桩内传播是个三维问题,通过桩顶反射波信号计算波速,波速变化趋势见图5,可见长细比为15时波速接近一维纵波波速理论值,而长细比为3时波速则与三维纵波波速理论值较为接近,且长细比更小时比三维理论值略大。长细比在15～5阶段波速增速较缓,而在5～2阶段波速增大较明显,这也验证了行业规范中受检桩长细比宜大于5的规定,而工地A,B的波速变化趋势突变点均在6,7左右,两者相差不大。

对于上述不同的长细比,三维纵波波速WS'与一维理论纵波波速WS的相对误差如图6所示,L/D≥5时误差在5%以内,由于锤击脉冲波长较小,即使L/D≥10,波速值仍比一维理论波速值要大些,长细比小于5时相对误差在6%左右,比工地A,B的实测误差结果要略小。

3 结语

结合模拟计算结果和工地A,B的检测结果来看,低应变法在短桩或超短桩完整性检测中仍可行;检测时宜选择脉冲波长较小的锤,不能一味按照脉冲波长桩径比宜大于5的规范要求;应以三维状态分析波的传播,按照长细比考虑纵波波速的不同,宜先选择长细比大于10的桩型确定该批桩的一维纵波平均波速,长细比越大的越接近一维波速,长细比为6～10的桩型依旧可按照此波速值设定,也可相应提高2%～3%以作精确计算,长细比小于6的桩型则需相应提高5%～10%,长细比越小则提高的越多,以避免误判桩长变短,即使是长桩,在判断浅部断桩位置时同样需回归到三维,避免将实际的缺陷位置判浅。若工地桩型长细比皆小于10,也可照上述反推该批桩的一维纵波平均波速。

摘要：结合工程实例,对短桩或超短桩的低应变检测进行了阐述,并对检测数据和模拟计算结果进行了对比,结果表明低应变法在短桩或超短桩完整性的检测中具有可行性。

关键词：短桩,检测,低应变法

参考文献

[1]JGJ106-2003,建筑基桩检测技术规范[S].

[2]时党勇,李裕春,张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析[M].北京:清华大学出版社,2005.

结构应变检测篇8

桩基础是工程结构中经常采用的主要的基础类型, 平时主要应用于建筑要求较高或者地质条件较差的情况。目前, 桩基础在全部的工程结构中约占百分之七十以上, 由于桩基是在地下的隐蔽结构物, 所以在正常的施工过程中特别容易出现各类缺陷, 那么, 对桩基础进行全面的质量检查和监督就显得尤为重要, 而低应变反射波法技术的日趋成熟, 使其作为最常用的桩基检测技术被越来越频繁的应用于桩基础的完整性检测当中。

2 低应变反射波法的原理

2.1 检测原理

低应变测桩技术最早起源于应力波理论, 以一维弹性杆平面应力波的波动理论为基础。其中的反射波法的主要功能是检测混凝土强度等级定性估计、桩身缺陷位置判断等桩身结构的完整性。假设桩身是桩长直径的一维弹性杆件, 在桩的顶部用手锤或力锤, 由此会产生沿桩身向下传播的波速为c的一压缩波, 当桩身的波阻抗Z发生明显变化时, 一部分应力波将会产生反射向上传播, 另一部分应力波产生透射向桩底传播。反射的幅值大小和相位大小是由波阻抗Z的变化决定的, 桩顶的速度传感器或加速度传感器对信号进行接收, 并经过对接收信号的分析处理, 可以识别来自桩身不同部位的反射信息。通过这些信息, 可判断估计混凝土的强度等级以及桩身的完整性, 并判断出桩身的缺陷位置。

2.2 检测方法

定义桩身的波阻抗Z为:

式中:E—混凝土的弹性模量;

A—桩身的截面积;

C—应力波在桩身的传播速度;

ρ—混凝土的密度。

由此可以看出, 波阻抗Z与混凝土的密度ρ以及桩身的截面积A有关。

我们假设, 在桩基的某处存在一个波阻抗变化界面, 那么界面上部的广义波阻抗为Z1=ρ1C1A1, 下部的波阻抗为Z2=ρ2C2A2。

(1) 当Z1=Z2时, 即表示桩身无缺陷, 桩的截面均匀, 并且只存在桩底反射波, 并不存在桩身的反射波;

(2) 当Z1

(3) 当Z1>Z2时, 即表示桩身存在缺陷, 桩身的相应位置的混凝土质量较差, 反射波与入射波的速度同相。

另外, 当桩身存在缺陷时, 根据接收的缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t以及桩身传播的速度C可以来推算缺陷位置Lx。

3 现场测试的一般过程

3.1 准备工作

要想获得准确的数据, 就必须事先做好充分的准备, 包括相关资料的收集, 仪器的选取等, 准备工作的程度直接会影响到测试结果的准确性, 所以准备活动就变得尤其重要。

3.2 检测步骤

(1) 首先, 检测前应该对检测的设备仪器进行全面的检测, 并且选择合适的参数;

(2) 其次, 清理并且使柱头平整;

(3) 接下来, 将传感器平放在桩顶的平整处;

(4) 然后, 选择恰当的能量激振;

(5) 紧接着, 选取理想的波形曲线进行下一步的研究;

(6) 最后, 在计算机上对数据进行处理和分析, 以达到检测的结果。

3.3 注意事项

3.3.1 桩头的处理

一般情况下, 柱头的处理要尽量干净、平整, 不能有杂物、不能破碎、更不能有水, 以往的经验告诉我们, 不管怎样更换传感器以及改变传感器的安装, 无论怎样改变振源, 只要是在浮浆上进行实验, 信号总是不太理想, 并且在测试信号的浅层部位还会出现较为严重的反向脉冲。这是因为浮浆与混凝土会形成一个不连续的界面, 并且反射波在这个界面上会受到影响。因此, 在检测中桩头的处理是成功的第一步。

3.3.2 传感器的安装

传感器的正确安装, 是测试现场采集信号时一个很重要的因素。从理论上来说, 传感器越轻、与桩面的距离越小, 传递性就越好, 测试信号也就越接近桩面的质点振动。所以传感器的安装技巧和耦合剂的选择就显得尤为重要。

(1) 安装前提。安装传感器时, 必须保证安装面的平整, 并且不能有灰。

(2) 耦合剂的选择。用牙膏做耦合剂, 其特点是干净实用。粘性好的黄油虽然经济适用, 但是不卫生, 尤其是夏天。石膏适用于不平整的桩头。粘性好、弹性差的口香糖和泡泡糖, 应以捏成团后用力扔到墙上不掉落为选择标准。另外, 可以多放一些粘结剂在安装面上, 单方向、用力的旋转传感器使其紧贴。

(3) 传感器的选择。由于速度传感器在低频段的特性比较差, 所以在信号采集过程中, 对浅层缺陷反应不明显, 容易采集到具有振荡的波形曲线。加速度传感器高度灵敏, 采集到的波形曲线缺陷反应明显, 无振荡, 所以通常情况下人们大都采用加速度传感器进行低应变反射波法的测试。

3.3.3 激振锤的选择

这是测量质量好坏的重要环节。小锤的重量小、能量小、脉冲窄, 用它去测试大桩时, 信号很有可能在还没到达柱底就衰减彻底, 或者到达柱底但是反射回来的信号微弱并且难以分辨, 导致测试结果不准确。因此对大桩的测试应该用大铁球, 其重量大、能量大、脉冲宽, 适应桩底以及深部缺陷的检测, 当发现浅层部位异常时, 我们可以利用小锤能量小、频率高等特点来准确的判断浅层的缺陷程度和位置。

另一方面, 当我们对空心柱进行测试时, 应该把传感器和锤击点安装在同一水平面上, 并且与桩的中心连线成九十度夹角;同样的, 当我们要对实心柱进行测试时, 应该将激振点放在桩的中心。

4 低应变反射波法的应用

4.1 常见的缺陷桩

由于地质因素和工艺因素等因素的影响, 基桩会出现影响其质量问题的缺陷, 还会影响基桩的承载力。一般来说, 在桩缺陷的描述过程中, 主要体现缺陷位置、性质和严重程度。桩身阻抗的变化有可能是其中的任意一种或者多种指标同时累加的结果, 它是缺陷的综合体现。在检测过程中, 桩身的质量缺陷主要有离析、断裂、空洞、夹泥等, 其中, 夹泥和离析比较常见。

4.2 桩身的完整性分类

根据检测结果, 我们可以将桩分为四大类。一般来说, Ⅰ类桩为优质桩, 其桩身完整, 混凝土密实, 无缺陷反射波, 波速合理, 频峰幅值按一定的规律衰减, 桩身完整性好。Ⅱ类桩为合格桩, 桩身基本完整, 可能会出现轻微的缺陷反射波, 波形稍不规整, 频谱主峰较为突出, 但是不会影响桩身的结构承载力。Ⅲ类桩为经过计算分析之后, 采取相应的处理措施仍然可以继续使用的桩, 完整性差, 桩身有明显的缺陷的反射波, 波形不规整, 不按自由振动进行衰减, 桩底反射较为不正常, 频谱出现双峰或多峰形, 混凝土严重离析, 对桩身的结构承载力有一定的影响, Ⅳ类桩为不合格桩, 桩身存在严重的缺陷, 反射波波形特别不规整, 波形混乱, 无桩底反射波, 或者因为桩身浅处严重缺陷导致波形呈现低频大振幅衰减, 不符合自由振动衰减的规律, 判断为短桩、断桩。

5 结束语

低应变反射波法是一门较为成熟的桩基检测法, 越来越多的应用在各个领域, 它具有操作方便、经济实用等多方面的优点, 但我们必须在检测过程中注意到每一个步骤的细小环节, 以及检测时容易出现的影响因素, 只有把所有的问题考虑全面, 才能得到一个真实的, 符合我们实际判断的正确结果。

参考文献

[1]李刚.低应变反射波法在基桩检测中的应用[J]山西焦煤科技, 2008.10.

[2]陈风, 徐天平.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

[3]李燕华, 反射波法在基桩检测中的应用[J].内蒙古公路与运输学报, 2006 (8) :89-90.

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