低应变法和高应变法在桩基检测中的结合应用研究

李斌 初立波

摘要：介绍桩基检测的主要内容、检测和分析方法，阐述低应变法和高应变法的基本原理及主要特点，通过两个工程实例，验证了低应变法和高应变法结合应用对检测结果所产生的优越性，可供施工技术人员参考。

关键词：低应变法；高应变法；桩基检测；结合应用

0   引言

桩基是建筑物的基础结构，桩身的完整性与承载力对建筑物的质量有重大影响。为确保桩基质量达到设计及规范标准要求，施工技术人员需采用有效检测方法检测桩基的承载力及完整性。桩基的检测方法主要包括低应变法、高应变法、静载试验、钻芯检测法、声波透射法等，本文主要研究低应变法和高应变法及其结合应用。

1   桩基检测简述

1.1   桩基检测主要内容及方法

1.1.1   桩基检测主要内容

桩基检测的核心内容是测定桩基承载力与桩身完整性，其中承载力检测期间需准确计算承载力与加荷速率，通过动荷载试验与静荷载试验，测得荷载速率与工程实际加荷速率近似，桩基承载力试验结果与实际承载力近似，因此部分工程将静荷载试验作为评估桩基承载力的主要方法。

桩基完整性检测中，需验证桩身完整性，并确定缺陷位置与缺陷类型，以便对有明显缺陷或严重缺陷的基桩及时采取补救措施，以消除安全隐患。

1.1.2   桩基检测的主要方法

低应变法为桩基完整性检测的主要方法，检测时需在桩基顶部区域施加激振能量，使桩身周边形成微振动，通过对桩顶区域反射波振动加速度及振动速度测量，可准确判断桩基完整性。

高应变法也属于测定基桩承载力和检测桩基完整性的常用方法。检测时，采用重锤低击对桩顶部区域施加冲击力，桩身在冲击力作用下可弹塑性纵向位移，桩底与桩身可与周边介质产生相对形变及位移，进而充分激发出桩基的侧阻力与端阻力[1]。

1.2   检测结果分析方法

基桩承载力及桩身完整性是桩基检测的主要项目。依据检测结果可将桩身完整性类别划分为4类：Ⅰ类桩为桩身完整；Ⅱ类桩为桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥；Ⅲ类桩为桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有一定影响；Ⅳ类桩为桩身存在严重缺陷。

桩基承载力检测期间，需重点分析承载力相关特征参数是否满足设计要求。为提高检测结果的准确性，检测技术人员应综合运用多种检测方法完成相互补充、验证，同步评估桩基承载力与桩身完整性，以确保建筑结构安全。

2   低应变法的基本原理及主要特点

2.1   基本原理

低应变法源自应力波理论，检测过程中需在桩头表面区域安装速度传感器，以接收桩基顶部激发桩身形成的应力波信号[2]。检测技术人员通过在桩顶施加激振信号产生的應力波，沿桩身传播，遇到不连续界面（如蜂窝、夹泥、离析、断裂、空洞等缺陷）及桩底面时，产生反射波，以实测桩顶加速度或速度响应时域曲线。

依据一维波动理论对反射波的传播时间、幅值和波形特征加以计算分析，可了解信号的频率与时间。通过对波形图的观察分析，可确定反射波与入射波的相位、波形、振幅与频率，也可确定反射波到达的具体时间。结合工程桩基施工资料及施工区域的工程地质与水文地质资料，可准确判断桩身结构是否完整及桩长信息。也可结合应力波波速及成桩时间，确定桩身混凝土质量[3]。

2.2   主要特点

2.2.1   主要优势

实施低应变法检测时，检测技术人员只需使用电磁振动器、手锤、铁球等锤击桩基顶部。其锤击能量很小，桩周土和桩端土只发生线弹性变形。该检测方法操作简便，耗时较短，费用低廉，检测范围较大，具有较高的推广应用价值。

2.2.2   主要作用

低应变法属于半直接检测法，可检测评估桩身完整性，确定桩身缺陷位置及缺陷严重程度。利用低应变法检测时，检测技术人员可依据工程相关资料估算桩身长度，判断混凝土强度等级及缺陷类型，进而制定适宜的补救方案，这样更有助于改善工程整体质量[4]。

2.2.3   适用范围

低应变法具有特定的适用范围，其适用于对大直径现浇薄壁混凝土管桩、类似于H型钢制异形桩以及薄壁钢管桩桩身的完整性检测。若激励响应在桩顶面接收时，除了使用可激发近似一维波动的激振装置之外，不建议采用低应变法。如果桩体过长，采用低应变法检测可产生测量不到位等问题。因此，检测技术人员需结合具体工程实际及其特点，选择合适的检测方法。

2.3   不同类型低应变法的应用分析

低应变法主要包括反射波法、动力参数法、机械阻抗法、共振法等类型。

2.3.1   反射波法

反射波法（也叫瞬态时域分析法）采用瞬态冲击方式，它通过实测桩顶加速度或速度响应时域曲线，依据一维波动理论分析来判定基桩的桩身完整性。该方法适用于检测混凝土桩桩身的完整性，判定桩身缺陷的位置及大致程度。反射波法是目前国内桩基工程采用的检测桩身结构完整性的最常用方法。

2.3.2   动力参数法

动力参数法主要通过敲击的方式测定桩基自振频率，也可测定桩基的初速度，通过换算获取桩基承载力及抗压刚度系数。动力参数法可应用于测定土层为摩擦桩提供的承载力，通过对衰减时间、振幅及波形的分析，可判断桩基的完整性。但密实鹅卵石或基岩上方承桩，则不建议采用此种方案[5]。

2.3.3   机械阻抗法

机械阻抗法采用结构动态分析的模式，利用瞬态或稳态测试的方法，可在检测现场获取相关曲线，进而准确评估桩基的完整性，需要注意的是，分段预制桩不建议采用此种方法。

2.3.4   共振法

共振法主要原理是通过强迫振动的模式引导桩基共振，通过其共振频率曲线可评估桩身质量，确定缺陷位置及推算承载力。该方法可解决动测方法存在的缺陷，提高检测结果的准确性。

3   高应变法的基本原理及主要特点

3.1   基本原理

高应变法检测桩基过程中，需采用重锤低击的方式对桩基顶部实施冲击，使桩与土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力。通过安装在桩顶下部即桩身上的量测力和加速度传感器，接受桩的应力波及速度波信号。检测技术人员应用应力波理论分析处理速度与力时程曲线，可分析评价桩身完整性，确定单桩竖向抗压承载力等参数。

与低应变法一样，高应变法也是以一维波动理论为依据。检测时利用瞬间形成的巨大冲击力可激发桩土对桩基的阻力，通过对桩顶截面力与速度信号的测定及曲线计算分析，可获取桩基土阻力分布、桩基Q-S曲线及桩身质量参数[6]。

3.2   主要特点

3.2.1   主要作用

实施高应变法检测时，检测技术人员需利用重锤击打桩基顶部，充分利用桩端与桩侧阻力作用，使桩基产生近似静荷载试桩沉降级别的移变量，进而获取准确的检测结果。使用高应变法进行检测，可准确评估单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求，可实现对抗压静载荷试验的有效补充[7]。

3.2.2   主要优势

高应变法主要优势是激励能量较大、检测深度较深，可准确检测预制桩接头部位的缺陷及整合型裂缝，可准确测定桩基竖向抗压承载力等指标，可为检测技术人员判断桩基缺陷程度提供参考依据[8]。

打入式预制桩是高应变检测的基本方式。如果预制桩材质均匀、截面恒定，采用高应变法检测可直接获取应力波测量数据，准确测定桩身完整性参数、桩身应力及桩锤传递能量，便于检测技术人员准确控制打桩期间桩身应力。此外，试打桩和打桩监控是高应变法检测的特有功能，是静载试验等其他方法无法做到的。

3.2.3   不足之处

桩基完整性及单桩竖向抗压承载力检测中应用高应变法，具有较高的可靠性。但是与低应变法相比，其检测耗时较长、检测费用偏高。对于大直径扩底桩和预估荷载-沉降曲线，呈缓变型特征的大直径灌注桩，不宜采用高应变法进行竖向抗压承载力检测。

3.3   波动方程法

波动方程法包括CASE法、曲线拟合法（CAPWAP）等2种具体方法，前者为简化的分析方法，后者为相对严密的分析方法。目前高应变检测大都采用波动方程法。

实施波动方程法时，采用自由落锤（锤击）激振方式。通过现场实测桩顶加速度随时间变化曲线，以及桩顶应力随时间变化曲线，预估单桩竖向极限承载力，检验桩身质量及桩身缺陷位置，判定桩身的完整性。通过监测预制混凝土桩或钢桩打桩应力，测定有效锤击能力和锤击能量传递比，为核定沉桩工艺参数、确定桩型和桩长提供依据。

4   两种应变法结合应用实例

4.1   实例1

某工厂厂房采用机械旋挖灌注桩为桩基结构，5号桩桩径测定为920mm，桩基长度为15.38m，中风化砂砾岩为桩基持力层，桩身混凝土强度等级为C25，设计方案中单桩竖向抗压承载力特征值为1250kN。工厂厂房所在区域地质条件为9.50～13.50m为强风化砂砾岩，6.20～9.50m为粉砂，4.40～6.20m为粉质黏土，2.00～4.40m为圆砾，0.70～2.00m为粉质黏土，0.00m～0.70m为素填土。

检测技术人员采用桩基动测仪进行低应变动力检测，通过传感器接收反射波的相关參数，操作中配合采用橡皮垫，以提高检测结果的准确性。高变应检测采用桩基动测仪及配套软件辅助完成，检测过程中传感器安装在桩顶面以下1.50m桩侧表面，设定锤击落距为1.0m，锤的质量为3.0t。

检测技术人员通过检测，获取5号桩低应变与高应变实测曲线。通过对曲线的分析可知，5号桩低应变检测结果显示，桩身波速值为3228m/s，基桩实测时域信号曲线和桩身混凝土波速未见异常，桩基完整无缺陷。5号桩高应变法检测结果显示，桩身波速值为3520m/s，设定阻尼系数为0.3，桩身材料质量密度为2.40t/m3。采用实测曲线拟合法的计算结果显示，该桩单桩竖向抗压承载力检测值为2684kN，单桩竖向抗压承载力特征值为1342kN，满足设计标准要求。

4.2   实例2

某工厂厂房采用人工挖孔灌注桩为桩基结构，3号桩桩径测定为890mm，桩基长度为14.36m，中风化玄武岩为桩基持力层，桩身混凝土强度等级为C25，设计方案中单桩竖向抗压承载力特征值为1310kN。工厂厂房所在区域地质条件为9.90～13.10m为强风化玄武岩，3.80～9.90m为黏土，1.20～3.80m为含砂砾黏土0.00～1.20m为素填土。

检测技术人员采用桩基动测仪进行低应变动力检测，通过传感器接收反射波的相关参数，操作中配合采用橡皮垫，以提高检测结果准确性。高变应检测采用桩基动测仪及配套软件辅助完成。检传感器安装在桩顶面以下1.50m桩侧表面，设定锤击落距为1.0m，锤的质量为4.5t。

检测技术人员通过检测，获取3号桩低应变与高应变实测曲线。通过对曲线的分析可知，3号桩低应变检测结果显示，桩身波速值为3219m/s，基桩实测时域信号曲线和桩身混凝土波速未见异常，桩基完整无缺陷。5号桩高应变法检测结果显示，桩身波速为3530m/s，设定阻尼系数为0.3，桩身材料质量密度为2.40t/m3。采用实测曲线拟合法的计算结果显示，该桩单桩竖向抗压承载力检测值为2796kN，单桩竖向抗压承载力特征值为1398kN，满足设计标准要求。

5   结语

桩基质量对工程质量和安全产生的较大影响，为此需采取适宜的检测方法对桩基质量进行严格检测。低应变法与高应变法均属于桩基检测的有效方法，虽然均以一维波动理论为依据，但是二者原理及检测方法存在较大差异。检测技术人员应采用低应变法检测桩基的完整性，采用高应变法检测桩基的承载力，二者结合使用，可确保桩基质量达标。

参考文献

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[2] 王伟锋.高应变方法对强风化泥岩地区的预应力管桩的检

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[3] 陈挺，陈皋.灌注桩完整性检测不同方法不同判定的情况

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[4] 李国胜.基桩检测方法及静载试验加载量问题探讨[J]. 建

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[8] 孔啸.低应变检测技术在桥梁桩基检测中的应用[J]. 科技

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