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基桩低应变检测波形影响因素的分析

低应变的特点是向试桩输入脉冲应力波 ， 因为一般是人工激发 ， 导致应力波的能量很低 ， 桩土体系处于弹性工作范围内 ， 桩身的状态以及桩身和桩周土体的结合状态都不会因检测而发生变化 。
由于桩体被输入的能量很低 ， 桩周土体对桩身的阻力作用基本无发挥 ， 影响应力波传播的因素基本只有桩身的完整性 。 影响低应变曲线的因素非常多：从大的方面来讲就三大块：桩自身、地层、测试方法 。
如果测试或分析不当 ， 同一根桩在上述不同条件组合下 ， 将会出现很多种曲线 ， 所以如果不明确条件仅凭一根曲线就要判读准确 ， 事实上很难 。
本文以基桩低应变检测波形影响因素的分析 ， 总结不同因素对低应变波形的影响 ， 为基桩低应变检测提供相应的参考 。
基桩低应变检测波形影响因素的分析
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01低应变采集影响因素分析
1.1桩自身的影响因素
桩自身包括桩长、桩身截面尺寸、桩身强度、成桩工艺等 。 桩长的限制取决于是否能够有效地识别桩底 ， 除了检测系统性能方面的客观因素外 ， 影响因素还有桩身截面阻抗的变化程度、桩周土的阻尼作用和桩身底部与桩底持力层的阻抗关系等 。 桩长越长 ， 所选用的锤的质量越大 ， 为了能够检测桩底 ， 则锤击所产生的频率越低 。 频率越高 ， 发射的能量越高 ， 能量被吸收的越快 ， 所检测的桩长越短 。
对于桩身存在的缺陷 ， 诸如离析、疏松、均匀分布的细孔或夹泥等 ， 会形成低质量混凝土区段而导致局部波速的显著降低 。 如桩身存在此类缺陷 ， 其整桩的平均波速也将因此而明显偏低 ， 按照基准波速推算的桩长 ， 将会得出明显偏大的整桩长度 。
桩身截面尺寸的限制 ， 现行的各种法定文件并没有对截面尺寸做出任何限制 ， 根据一维波动理论的要求 ， 桩身截面尺寸不宜超过所用应力波波长过多 ， 因此 ， 桩径超过2m以上时不能采用高频锤击脉冲 ， 薄壁杆件在原则上不适用于这种检测方法 ， 一则因为不符合平面波的要求 ， 二则表面积大于实体的桩 ， 桩周土体的影响更加显著而难以取得良好的检测效果 。
桩身强度的影响 ， 一般来说 ， 桩身强度与波速呈正相关关系 ， 即混凝土波速强度等级越高 ， 波速越大 。
【基桩低应变检测波形影响因素的分析】下表为实践经验的总结：
基桩低应变检测波形影响因素的分析
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从表中可以看出 ， 同一混凝土强度等级 ， 其波速存在一定的波动范围 ， 因为是混凝土波速除与其强度等级有关外 ， 还受诸多因素的影响 ， 包括粗集料的品种、粒径、用量、混凝土含水率、混凝土养护方式等 。 不同混凝土强度等级之间存在波速交叉现象 ， 波速与混凝土只是一种粗略的对应关系 。
在实际检测中 ， 会碰到C80的预制管桩 ， 其波速范围在4400m/s左右 ， 经大量的研究表明 ， 波速与混凝土强度呈半对数关系 ， 波速是强度的自然对数函数 。 波速后期虽强度的提高增长缓慢 ， 预制管桩验证波速最好的办法就是测试躺在地表还未打入地下的完整管桩 ， 将桩长作为以总长 ， 实测反射波达到时间 ， 反求波速即可 。
成桩工艺的影响 ， 现行的成桩工艺有混凝土灌注桩、水泥搅拌桩、预制管桩等 ， 根据检测经验 ， 预制管桩一般波速最大 ， 混凝土灌注桩其次 ， 水泥搅拌桩波速最低 。 预制管桩成桩工艺有锤击成桩、静压桩、植桩等 ， 根据经验检测数据 ， 波速从小到大的顺序 ， 锤击沉桩
就其因 ， 桩周土的阻抗作用并非主要原因 ， 主因是施工作用改变了桩身混凝土材料特性 ， 比如锤击沉桩的循环冲击加荷作用 ， 导致混凝土材料出现微裂隙 ， 导致桩身材料杨氏模量及密度的降低 ， 从而出现纵波波速的降低 。
静压沉桩在成桩工艺上就要好很多 ， 在水泥土浆液中植入管桩几乎与空气介质中的波速没有差异 ， 因为在水泥土浆液中植桩 ， 水泥浆对桩体有保护作用 ， 桩身几乎不受损 。 需要说明 ， 针对打入桩 ， 如果选锤合理 ， 锤击沉桩总锤击数控制在合理范围内 ， 打入后桩身的波速与空气中的相差不会很大 ， 可以忽略 ， 否则就应该怀疑桩身是否受损 ， 在低应变检测桩身完整性时 ， 地下桩的波速与空气中的相比降低约20% 。
基桩低应变检测波形影响因素的分析
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1.2地层的影响因素
地层方面包含桩的支撑情况、桩侧土阻力等；桩端混凝土与桩端持力层阻抗相差越大 ， 测试范围越大 ， 反之相差越小 。 根据检测经验 ， 支承在阻抗相近的岩石上的嵌岩端承桩 ， 即便桩长很短 ， 也难以获得桩底反射波 。
桩侧土阻力越小 ， 桩土刚度比较大 ， 能量衰减越小 ， 测试深度越大 。
对于桩的支撑情况 ， 从应力波传播的角度来说 ， 在桩底应力波将遭遇一个阻抗突变的截面 ， 因此 ， 只要桩底的位移不大 ， 没有出现接触介质的显著变化 ， 桩底支承条件对桩顶实测速度信号的影响 ， 完全可以根据这个截面阻抗突变情况用一维波动理论直接进行计算 。
即桩底为自由端是 ， 在2L/c时刻将出现一个2倍幅值的正速度 ， 即同向反射 ， 而当桩底不动时 ， 则出现一个2倍幅值的负速度 ， 即反向反射 。 由于桩身的内阻尼和桩侧土体的阻力作用 ， 实际桩底反射的幅值有可能减小许多 。
在工程检测中 ， 为了便于看清桩底反射以及桩身各处的反射波 ， 通常会利用指数放大等办法把桩底反射的幅值人为的调高到与初始应力波大体相等 。
对于桩侧土阻力的影响 ， 任何桩侧的土阻力将在其作用截面处引发一个上行的压力波 ， 幅值等于R/2 。 因此 ， 沿桩身上下各处的土阻力的影响 ， 必然将表现为依次到达检测截面的压力波而使实测的速度值以累计的方式逐渐减少或增大其负值 。
如果检测时实际激发的桩侧土阻力的分布是完全均匀的 ， 则V-t曲线应该是一条沿时间轴向下的倾斜的直线 ， 阻力越大 ， 偏离程度越大；如果桩侧土阻力的分布并不均匀 ， 则V-t曲线就会是弯曲的 ， 如果锤击的激发作用不大 ， 浅部桩侧土阻力较大而下部逐渐减小 ， 则V-t曲线后部将不再递增而逐渐转到与时间轴平行的方向延伸 。
另外 ， 桩侧土阻力还同时一个幅值等于-R/2的下行拉力波 ， 因此 ， 初始应力波在下行过程中必然将不断消弱 ， 桩侧土阻力越强 ， 实际到达桩身各截面的下行波就会变得越弱 ， 由此引发的反射波也就会越弱 。
1.3测试方法的影响因素
测试方法的影响因素包含采样频率、频带宽度、传感器安装位置、敲击能量、信号的后期处理等 。
采样频率的影响 ， 采样频率越高 ， 即采样间隔时间越小 ， 则时域信号精度越高 ， 但频率分辨率越低；反之 ， 采样频率越低 ， 即采样间隔时间越大 ， 则时域信号精度越低 ， 但频率分辨率越高 。
一般来说 ， 频率越高 ， 对短桩或长桩的浅部缺陷反射越明显 ， 频率越低 ， 对长桩的桩底反射及深度缺陷反射越明显 。 因此 ， 为了提高时域信号的精度 ， 要用较高的采样频率 ， 而将信号做频谱分析时 ， 为了提高频率分辨率 ， 根据桩实际情况 ， 应采用较低的采样频率 。
频带宽度的影响 ， 在现场测试时 ， 由于振源、桩土 ， 系统的阻尼和衰减作用以及传感器等多方面的原因 ， 很难有覆盖全频域的信号出现 。
在实际检测中 ， 选择完成正常测试所需要的频率范围即可 ， 为确保在时域分析中能完全记录缺陷两阶谐振峰 ， 以读取频差 ， 取一阶谐振峰2.5倍为上限频率 ， 下限频率是在低于整桩一阶谐振频率的基础上选取 ， 频域因不涉及波形形态 ， 可适当放宽到30Hz 。 在波速为4000m/s时 ， 根据不同检测部位的需要 ， 完成测试所需的频带宽度如下表所示：
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