【关键词】低应变 动测技术 桥梁钻孔灌注桩 应用
桩基低应变无损检测的方法较多，主要有反射波法、机械阻抗法、动力参数法、声波透射法等。目前，常用的方法为反射波法，其原理是通过锤击桩顶，应力脉冲以波的形式沿桩体传播，应力（速度）波在传播的过程中遇到桩体界面变化时，将表现为桩身阻抗变化而产生反 射波，通过安装在桩顶的传感器接收波的变化，从而判断桩身的完整情况。目前，较常用的主要仪器设备有美国PDI公司生产的PIT低应变桩身完整性检测仪，荷兰生产的TNO仪器及我国生产的RSM-24FD浮点工程动测仪等。
我所于1995年4月引进美国生产的PIT仪器，经过大量的桥梁钻孔灌注桩实测和对一些工程模拟桩进行的测试，积累了一定的经验。本文主要阐述PIT仪器在南京机场高速公路桥梁钻孔灌注桩低应变无损动测上的应用及体会。
1 低应变动力测桩的基本原理
低应变动力测桩的理论根据是一维波动方程。在具体应用时，将作出如下假定：①桩身是一根弹性杆件；②桩在纵向振动过程中，其横截面始终保持平面，并忽略桩的纵向变形，即同一截面上的各点仅在桩的轴向作相等的位移；③忽略了桩身内、外阻尼和桩周表面的摩擦力的影响。基于上述假定，在外力作用下，桩轴向位移是纵向坐标X和时间T两个变量的函数，可用一个二阶偏微分方程来描述 ：
（1）
式中：U—桩身轴向位移；
，其物理意义就是应力波在桩身中的传播速度；
E——桩身弹性模量；
ρ——桩身质量密度。
在应力波作用下，桩身产生运动，其质点的运动速度V取决于应力的大小和材性：
（2）
式中：ρc——桩身材料的波阻，等于材料的密度ρ和波速c的乘积。
将（2）变换后乘以桩身面积A可得下式：
（3）
式中：Z——为桩身的截面力学阻抗。
一维波动方程（1）的波动解为：
U（Xtt）=F（X-ct）+G（X+ct） （4）
其解由两部分组成，分别代表两个行波，其传播速度均为c而传播方向相反，在竖向的桩身中通常称为上行波和下行波。
在波动分析中，约定桩身受力以受压为正，受拉为负；桩身运动以向下为正，向上为负。则有：
对于下行波 （5）
对于上行波
（6）
设弹性波从一种介质传播到另一 种阻抗不同的介质，传播方向垂直于界面，当弹性波到达界面时，不论对于第一种介质还是第二种介质，都会引起一个扰动，分别向两种介质中传播。传回第一种介质的波为反射波（BR），传入第二种介质的波叫透射波（BT），入射波记为 BI（见图1）。
图1
在界面S处由力平衡及速度连续条件得：
（7）
（8） 根据（4）有：
（9）与（7）、（8）联立求解得：
（10）
（11）将（10）除以VI，得到：
（12）
式中：K——为反射系数；ρ1c1A1——为桩身混凝土广义波阻抗；ρ2c2A2——为桩身缺陷和桩底岩土部分的广义波阻抗。
由（12）可知，在桩顶要接受到反射波，必须满?足K≠0。对于完整桩来说，桩身中无波阻抗的差异，所接受到的反射波基本上是桩底反射上来的；对于缺陷桩，即有桩身缺陷部分的波阻抗ρ2c2A2存在，K值可在0～±1范围内变化。这样，就可以根据反射系数的正负来判断桩身缺陷的性质：
①K＞0时，反射波与入射波同相，若ρ1c1=ρ2c2，则A2＜A1，表明桩身缩径；
②K＞0时，反射波与入射波同相，若A1=A2，则ρ2C2＜ρ1C1，表明桩身断裂、离晰或为桩底；
③K＜0时，反射波与入射波反相，若ρ1c1=ρ2c2，则A2＞A1，表明桩身扩径；
④K＜0时，反射波与入射波反向，若A1=A2，则ρ2c2＞ρ1c1，表明下界面强度大于上界面或嵌岩。
2 PIT仪器简介
PIT是美国PDI公司生产的桩基低应变检测仪器，它配备高灵敏度（60mv/g）、高分辩率（0.002g）、宽频带的加速度传感器，并采用16bit A/D转换，能探测到由缺陷处或桩底反射的极微弱信号。PIT具有力和速度两个通道，可同时探测冲击力和加速度两个信号。它配有时域和频域分析软件，通过串行接口与微机联接，可进行时域和频域分析，能准确地确定桩身的完整性，并且使用PITWAP软件可以对桩阻抗和外形进行模拟运算，以达到定量确定桩身完整性的目的。
图2
图2是PIT测试工作原理图，除PIT数据采集仪外，硬件中还包括胶头力锤和加速度传感器等。PIT处理器提供信号调制、数字化信号处理、数字信号存储和LCD屏幕显示功能，可以驱动绘图仪或打印机输出数据和图形，并可通过串口与PC机进行数据通信。
3 现场测试
PIT现场测试的首要工作是对桩头表面作预处理。在实际工作中，必须截去桩头的浮浆部分，直到得到较平整的新鲜混凝土质 面为止。 并用角向磨光机磨出若干点， 以便安装加速度传感器。桩头表面处理的好坏将直接影响测试数据的 可靠性和准确性。 加速度传感器用凡士林或橡皮泥等软粘性材料粘结在桩顶平整面上，然后用手锤敲打桩头不同位置， 手锤敲打质量的好坏对信号采集起重要作用。对于多次敲击得到的接收信号，可在显示屏上进行编辑、选择、求平均，并重放显示。信号的迭加平均方法可突出桩身变化和桩周土效应产生的可重复性信号，并有效地抑制随机干扰。对于大直径的钻孔灌注桩应变换传感器的安装位置，以保证接受到信号的准确性和普遍性，并应在现场比较几组信号，是否具有相似性，若有差别应查明原因。
4 信号的处理分析
一般情况下，是将PIT采集器中的信号传送到计算机中，用PDI公司提供的软件进行分析。首先，应找出“桩底反射”信号。如果桩底反射不明显，则可用信号放大功能对原信号进行放大处理，直到显示出“桩底反射”信号。然后，就是调整桩体混凝土的波速。调整桩体混凝土波速的方法有两种，一是在桩长已知的情况下，根据桩底反射波到达桩顶时间计算波速：C=2L/T。另一种是根据提供的混凝土强度，确定波速范围，但这一波速范围的变化较大，它与混凝土质量、混凝土浇筑龄期及养护条件有关。桩身缺陷位置可由公式L'=T′·C/2求得。对于同一工程中的钻孔灌注桩，波速的变化范围不会相差很多。如果对于提供桩长的钻孔灌注桩，发现波速明显偏高，则表明该桩断桩或桩偏短；如果波速明显偏低，则表面该桩强度不足或桩偏长。发现异常情况时，应结合施工记录、地质资料综合判断桩身完整性。
5 工程实例
南京机场高速公路是南京禄口国际机场的重要配套工程，被誉为江苏省“省门第一路”，是江苏省六大交通重点工程之一。下面结合桥梁钻孔灌注桩的检测实例，对若干问题讨论如下：
①完整桩：施工质量优良的完整桩的速度波形应光滑，有明显的桩底反射信号，波速正常。图3为南京机场高速公路桥梁钻孔灌注桩，桩径1.2m，桩长47.0m，波速3960m/s，混凝土强度等级C25，为完整桩。
图3
②缺陷桩：缺陷桩的波形曲线存在较明显的异常（见图4），该桩桩径1.2m，桩长41.0m，在5m处表现为缩径缺陷。
图4
③断桩：断桩的波形曲线存在明显的波峰，且桩底信号不明显（见图5），根据该工程桩身平均波速，求得该桩在18.0m断桩。
图5
④假缺陷桩：水中的桥梁钻孔灌注桩在施工时一般均采用护筒，有时护筒与混凝土浇筑在一起。测试时，在护筒底面处将产生缩颈类缺陷，（见图6），该桩直径1.5m，从波形反映，该桩在3.2m存在缩径特征。后经查施工记录，该桩桩顶部分采用混凝土护筒，壁厚8cm，并与桩混凝土浇筑在一起，使桩顶部直径达到1.64m，故在护筒底表现为缩径。这种情况在桥梁钻孔灌注桩施工中是常见的，在测试时应尤为注意，不可错判。
图6
6 几点体会
（1）钻孔灌注桩桩头处理的好坏将直接影响到检测质量，因此桩头处理十分重要。钻孔灌注桩由于其施工的特殊性，在混凝土浇筑完成后，破桩头的工艺因施工队伍而异，有些是刚浇筑完就把多余的混凝土扒除，有些是待混凝土达到一定强度后用风镐将多余的混凝土凿除。前一种方法虽然桩顶表面比较平整，但表面混凝土中骨料含量少，水泥浆含量高；而后一种方法使 桩顶表面凹凸不平。无论是哪种桩顶，都要认真处理，用平头钻把桩顶凿平，并用角向磨光机打磨若干个平整光洁的面，以便安装传感器和有良好的锤击平面。
（2）加速度传感器的安装应牢固，粘结传感器所用的粘结材料应干湿适中，过干或过湿的粘结材料都不能很好地将传感器与混凝土表面粘结密贴。在大直径钻孔灌注桩的测试中，还应注意变换传感器的安装位置，以便 能较全面的反映桩身质量，对于桩顶处理不够平整的钻孔灌注桩，这一点是非常重要的。
（3）锤击质量的好坏将严重影响到信号的采集 质量。因此，在测试中应重复几次锤击过程，并确信采集到的几次锤击信号相同时，才能储存这一信号，以免由于锤击质量不好而造成误判。
（4）钻孔灌注桩的龄期对测试结果的影响也很大，有时由于工期的限制，往往在钻孔灌注桩混凝土强度未形成时（＜7d）就进行测试，这将影响测试结果的 准确性。
（5）钻孔灌注桩经测试后若发现有严重缺陷存在时，应注意及时复测，并查阅施工记录和地质资料。有时会因为桩头处理不好，传感器安装不牢固等原因，使测试结果与实际不符，或由于地层和桩侧阻尼的影响而造成误判。总之，桩基工程的隐蔽性很强，这就要求桩基检测人员在测试工作中做到实事求是，一丝不苟，来不得半点马虎，以免给工程造成事故隐患。
参考文献
1.应力波理论.王礼立，国防工业出版社.1985
2.Pile Integrity Tester （P.I.T），Collector Model，Pile Dynamics Inc，USA October. 1991
3.P.I.T.WAP User's Manual， Pile Dynamic Inc.January .1993
4.基桩低应变动测规程（JGJ93-93），中国建筑工业出版社5.P.I.T.法测桩技术.欧美大地仪器设备中国有限公司提供
