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岩土研究院

低应变法​适用范围及仪器设备

450 2022-06-22 15:15:07

目前国内外普遍采用瞬态冲击方式,通过实测桩顶加速度或速度响应时域曲线,籍一维波动理论分析来判定基桩的桩身完整性,这种方法称之为反射波法(或瞬态时域分析法)。据建设部所发工程桩动测单位资质证书的数量统计,绝大多数的单位采用上述方法,所用动测仪器一般都具有傅立叶变换功能,即通过速度幅频曲线辅助分析判定桩身完整性,即所谓瞬态频域分析法;也有些动测仪器还具备实测锤击力并对其进行傅立叶变换的功能,进而得到导纳曲线,这称之为瞬态机械阻抗法。当然,采用稳态激振方式直接测得导纳曲线,则称之为稳态机械阻抗法。无论瞬态激振的时域分析还是瞬态或稳态激振的频域分析,只是习惯上从波动理论或振动理论两个不同角度去分析,数学上忽略截断和泄漏误差时,时域信号和频域信号可通过傅立叶变换建立对应关系。所以,当桩的边界和初始条件相同时,时域和频域分析结果应殊途同归。综上所述,考虑到目前国内外使用方法的普遍程度和可操作性,本规范将上述方法合并编写并统称为低应变(动测)法。


低应变法的理论基础以一维线弹性杆件模型为依据。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,设计桩身截面宜基本规则。另外,一维理论要求应力波在桩身中传播时平截面假设成立,所以,对薄壁钢管桩和类似于 H型钢桩的异型桩,本方法不适用。


本方法对桩身缺陷程度只做定性判定,尽管利用实测曲线拟合法分析能给出定量的结果,但由于桩的尺寸效应、测试系统的幅频相频响应、高频波的弥散、滤波等造成的实测波形畸变,以及桩侧土阻尼、土阻力和桩身阻尼的耦合影响,曲线拟合法还不能达到精确定量的程度。


对于桩身不同类型的缺陷,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、夹泥、空洞等,只凭测试信号就很难区分。因此,对缺陷类型进行判定,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。


8.1.2 由于受桩周土约束、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为一能量和幅值逐渐衰减过程。若桩过长(或长径比较大)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,其能量已完全衰减或提前反射,致使仪器测不到桩底反射信号,而无法评定整根桩的完整性。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,故本条未规定有效检测长度的控制范围。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。因此,低应变方法仍可用于查明有效检测长度范围内是否存在缺陷。


仪 器 设 备

低应变动力检测采用的测量响应传感器主要是压电式加速度传感器(国内多数厂家生产的仪器尚能兼容磁电式速度传感器测试),根据其结构特点和动态性能,当压电式传感器的可用上限频率在其安装谐振频率的1/5以下时,可保证很高的冲击测量精度,且在此范围内,相位误差几乎可以忽略。所以应尽量选用自振频率较高的加速度传感器。


对于桩顶瞬态响应测量,习惯上是将加速度计的实测信号积分成速度曲线,并据此进行判读。实践表明∶除采用小锤硬碰硬敲击外,速度信号中的有效高频成分一般在 2000Hz 以内。但这并不等于说,加速度计的频响线性段达到2000Hz 就足够了。这是因为,加速度原始信号比积分后的速度波形中要包含更多和更尖的毛刺,高频尖峰毛刺的宽窄和多寡决定了它们在频谱上占据的频带宽窄和能量大小。事实上,对加速度信号的积分相当于低通滤波,这种滤波作用对尖峰毛刺特别明显。当加速度计的频响线性段较窄时,就会造成信号失真。所以,在±10%幅频误差内,加速度计幅频线性段的高限不宜小于5000Hz,同时也应避免在桩顶敲击处表面凹凸不平时用硬质材料锤(或不加锤垫)直接敲击。


高阻尼磁电式速度传感器固有频率接近 20Hz.时,幅频线性范围(误差±10%时)约在 20~1000Hz.内,若要拓宽使用频带,理论上可通过提高阻尼比来实现。但从传感器的结构设计、制作以及可用性看却又难于做到。因此,若要提高高频测量上限,必须提高固有频率,势必造成低频段幅频特性恶化,反之亦然。同时,速度传感器在接近固有频率时使用,还存在因相位越迁引起的相频非线性问题。此外由于速度传感器的体积和质量均较大,其安装谐振频率受安装条件影响很大,安装不良时会大幅下降并产生自身振荡,虽然可通过低通滤波将自振信号滤除,但在安装谐振频率附近的有用信息也将随之滤除。综上述,高频窄脉冲冲击响应测量不宜使用速度传感器。


瞬态激振操作应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫,以获得低频宽脉冲或高频窄脉冲。除大直径桩外,冲击脉冲中的有效高频分量可选择不超过2000Hz(钟形力脉冲宽度为1ms,对应的高频截止分量约为2000Hz)。目前激振设备普遍使用的是力锤、力棒,其锤头或锤垫多选用工程塑料、高强尼龙、铝、铜、铁、橡皮垫等材料,锤的质量为几百克至几十千克不等。


稳态激振设备可包括扫频信号发生器、功率放大器及电磁式激振器。由扫频信号发生器输出等幅值、频率可调的正弦信号。通过功率放大器放大至电磁激振器输出同频率正弦激振力作用于桩顶。


现场检测

桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。因此,要求受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。灌注桩应凿去桩顶浮浆或松散、破损部分,并露出坚硬的混凝土表面;桩顶表面应平整干净且无积水;妨碍正常测试的桩顶外露主筋应割掉。对于预应力管桩,当法兰盘与桩身混凝土之间结合紧密时,可不进行处理,否则,应采用电锯将桩头锯平。


当桩头与承台或垫层相连时,相当于桩头处存在很大的截面阻抗变化,对测试信号会产生影响。因此,测试时桩头应与混凝土承台断开;当桩头侧面与垫层相连时,除非对测试信号没有影响,否则应断开。


从时域波形中找到桩底反射位置,仅仅是确定了桩底反射的时间,根据△T=2L/c,只有已知桩长L才能计算波速c,或已知波速c计算桩长L。因此,桩长参数应以实际记录的施工桩长为依据,按测点至桩底的距离设定。测试前桩身波速可根据本地区同类桩型的测试值初步设定,实际分析过程中应按由桩长计算的波速重新设定或按8.4.1条确定的波速平均值cm设定。


对于时域信号,采样频率越高,则采集的数字信号越接近模拟信号,越有利于缺陷位置的准确判断。一般应在保证测得完整信号(时段2L/c+5ms,1024个采样点)的前提下,选用较高的采样频率或较小的采样时间间隔。但是,若要兼顾频域分辨率,则应按采样定理适当降低采样频率或增加采样点数。


稳态激振是按一定频率间隔逐个频率激振,并持续一段时间。频率间隔的选择决定于速度幅频曲线和导纳曲线的频率分辨率,它影响桩身缺陷位置的判定精度;间隔越小,精度越高,但检测时间很长,降低工作效率。一般频率间隔设置为3Hz、5Hz和10Hz。每一频率下激振持续时间的选择,理论上越长越好,这样有利于消除信号中的随机噪声。实际测试过程中,为提高工作效率,只要保证获得稳定的激振力和响应信号即可。


本条是为保证获得高质量响应信号而提出的措施∶


1传感器用耦合剂粘结时,粘结层应尽可能薄;必要时可采用冲击钻打孔安装方式,但传感器底安装面应与桩顶面紧密接触。


2 相对桩顶横截面尺寸而言,激振点处为集中力作用,在桩顶部位可能出现与桩的横向振型相应的高频干扰。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。初步研究表明∶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,该处相当于横向耦合低阶振型的驻点。另应注意加大安装与激振两点距离或平面夹角将增大锤击点与安装点响应信号时间差,造成波速或缺陷定位误差。传感器安装点、锤击点布置见图1。


当预制桩、预应力管桩等桩顶高于地面很多,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。


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