低应变反射波法基桩完整性检测研究综述.pdf

第 51 卷 2023 年 第 2 期广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTUREVol.51 No.2，2023低应变反射波法基桩完整性检测研究综述低应变反射波法基桩完整性检测研究综述冯卓轩1,3，胡贺松1,2，刘春林1，杨学顺1，余福宝1（1.广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广州 510440）（2.广州建筑股份有限公司，广州 510030）（3.广东工业大学土木与交通工程学院，广州 510006)摘摘要要：低应变反射波法用于桩身完整性检测是以一维杆纵向振动理论为分析基础。总结低应变反射波法在理论基础、工程试验及数值模拟等方面的研究现状，探讨了该方法已取得的研究成果及尚存在的问题。通过综合分析可知：低应变反射波法的研究成果较多，分析手段多样，且大部分情况下都能有效判断桩身完整性，但是在定量表征桩身完整性方面受干扰因素影响导致仍存在诸多技术难题未得到突破，而且其在既有上部结构基桩及超长桩上完整性检测的可行性还有待深入研究。应进一步结合试验研究和有限元模拟等方法，综合采用多种检测手段对复杂工况、异性桩以及既有结构基桩进行完整性检测是今后的研究重点。关键词关键词：低应变反射波法；基本理论；试验现状；数值模拟中图分类号中图分类号：TU473.1文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1671-2439(2023)02-113-04作者简介作者简介：冯卓轩（1996），男，硕士研究生，主要从事地基基础检测与监测方面的研究工作，Email:。AReviewofResearchonIntegrityDetectionofFoundationPilesbyLow-strainReflectedWaveMethodFENG Zhuo-xuan1,3，HU He-song1,2，LIU Chun-lin1，YANG Xue-shun1，YU Fu-bao1（1.Guangzhou Testing Centre of Construction Quality and Safety Co.,Ltd.,Guangzhou 510440)（2.Guangzhou Construction Co.,Ltd.,Guangzhou 510030)（3.School of Civil and Transportation Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006)Abstract：The application of low-strain reflected wave method in pile integrity detection is based on the theory of longitudinal vibration ofone-dimensional rod.The research status of low-strain reflected wave method in theoretical basis,engineering test and numerical simulation issummarized,and the research achievementsand existing problemsof thismethod are further discussed.Through comprehensive analysis,it can beseenthatthelow-strainreflectedwavemethodhasmanyresearchresultsandvariousanalysismethods,anditcaneffectivelyjudgetheintegrityofpilebody in most cases.However,there arestill many technical problemsthat have not been brokenthroughdue to interferencefactors in quantitativelycharacterizing the integrity of pile body.In addition,the feasibility of integrity detection on foundation piles with existing superstructures andsuper-longpilesneedstobefurtherstudied.Combinedwithexperimentalresearchandfiniteelementsimulation,variousdetectionmethodsshouldbeadoptedtoconductintegritydetectionondifferentpilesandfoundationpileswithexistingsuperstructures.Keywords:low-strainreflectionwavemethod;theoreticalbasis;engineeringtest;numericalsimulation0 引言引言桩基础在基础工程中的地位日渐重要，因而桩基检测作业也日益增多。桩基检测主要分为完整性检测和承载力检测。在桩基检测中，常见的检测方法主要有：静载法、高应变法、低应变法、抽芯法和声波透射法五种。在桩身完整性检测方面，低应变反射波法因具有检测快捷、设备简单、费用低等优势而被广泛使用。但鉴于波动理论的局限性及桩周环境影响，桩身缺陷定量表征的技术难题仍难以完全解决。20 世纪 80 年代，采用波动方程研究动态打桩行为进入高速发展期。基于波动理论，Smith(1960)1通过试验研究并结合数值分析探讨了撞锤重量、撞锤速度、垫层和桩特性等对土体动力特性的影响。目前，国内外对波动理论的研究未见有突破性进展，但其在普及和工程应用方面却有较大发展。基金项目基金项目：广州建筑集团科技计划项目广州建筑集团科技计划项目（2020-KJ002，2020-KJ007，2021-KJ007）；）；广州建科院科技计划项目广州建科院科技计划项目（2021Y-KJ04，2022Y-KJ01）-113-113-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期基桩低应变反射波法的研究主要从基础理论、试验验证和数值模拟等方面着手。1 低应变反射波法理论现状低应变反射波法理论现状低应变动力测桩法首先用于打桩监测，后发展到基桩完整性检测，其中反射波法最为常用。反射波法是以一维线弹性杆件为假定条件，以一维波动方程为理论基础的基桩检测方法。Isaacs(1931)2提出一种桩顶激振方法，用来研究桩身应力波传播机理。Novak&Jurado(1974)3基于 Winkler 地基模型研究了单桩动力响应机理。Nogami&Novak(1976)4研究土与端承桩的相互作用，并与平面应变理论进行比较，证明刚度和阻尼与长细比之间存在无量纲参数，并随着高频干扰的增加而增加。王登杰等(2002)5采用应力波传播理论分析得出：振源、传感器安装、地质条件等都会对缺陷桩中波的传播造成影响。同年，王雪峰(2002)6采用质量弹簧和阻尼器的单速度振动模型对传感器接收信号进行模拟，考虑传感器安装刚度的影响，并提出消除传感器安装谐振的方法。桩基动测过程中常用波动方程求解基桩桩身长度，因为撞锤直径与桩径相当，从而产生的冲击力会使桩身产生近一维动力响应7。而在实际工程中，手锤较小，此时部分速度曲线的差异归因于三维波动效应。Steinbach(1975)8发现表面波中三维效应的存在。Nogami&Konagai(1986)9提出了单桩竖向动力时域分析方法。部分学者10,11采用解析法和数值法求解桩基竖向振动响应。Sen et al.(1985)12分析桩-土系统与群桩动态效应，并使用运动方程精确地求解均布载荷强度，提出竖向和横向荷载作用下桩群效应的边界公式，以获得桩-土作用时的数值解。结果表明这些解与运动方程的数值解耦合，可满足桩-土界面处的平衡性和相容性。Chow et al.(2003)13、陈凡和王仁军(1998)14通过不同直径手锤敲击大直径完整桩和缺陷桩，证明三维效应的存在，并发现在桩身完整的情况下，当传感器放置在桩径50%范围内，纵波波速接近理论波速时，该三维特性消失。基于波动理论，张阿舟和赵淳生(1991)15研究了桩周土中理想桩的自由振动特性。随后，王靖涛(1994)16将自主编制的子程序 WANG-PIP 软件用于对基桩缺陷的定量分析，并通过对 5 根典型模型桩的时域曲线进行对比，证明子程序能有效识别基桩缺陷。低应变反射波法的工程应用广泛，但其所运用的基础理论在既有建筑和桩基出露较长的特殊情况下并不一定适用。因此，振动理论分析法由最初以单质点自由振动理论开始发展，就此延伸到纵波振动、受迫振动以及瞬态冲击等振动理论以解决上述基桩完整性检测问题。随后，考虑桩周土的非线性行为，用自由振动理论对理想桩的频率和振型进行分析，以判断基桩缺陷类型。基于线性弹簧和阻尼器并联的 Voigt 模型，王奎华等(1997)17推导出在桩侧土及桩底土弹性支撑条件下桩顶受纵向振动的解析解，并通过对比浙南某工地的实测曲线以验证解析解的正确性。刘东甲(2001)18利用 Fourier 变换和动力 Winkler 模型，研究纵向振动桩侧向切应力对缺陷信号识别的影响。Zheng et al.(2016)19采用传递矩阵法，推导低应变完整性检测三维效应的解析解，计算结果表明三维效应中的高频干扰对桩完整性判别有较大影响。在低应变检测中，特殊情况下桩顶受到瞬态振动，除一部分应力波外，还有一部分使局部桩身做简谐振动。为验证振动理论的正确性，满足工程实际的需求，一般需要进行大量试验验证，低应变反射波法的试验研究尤为重要。2 低应变反射波法试验研究现状低应变反射波法试验研究现状低应变反射波法的计算理论离不开室内外试验与实际工程的对比验证，必要时候需要结合地质资料、施工记录来分析基桩完整性。而现场桩型、施工工艺等对基桩完整性及缺陷位置的判断有较大影响。因此，综合分析同一工程的所有被测桩，才能有效地结合理论进行准确的完整性判别。有时室内模型桩与工程现场复杂工况并不能完全吻合。因此，王建华和智胜英(2007)20、余云燕等(2018)21分别选用 6 种桩周土进行桩-土作用室内试验，证明桩-土相互作用的阻尼参数是低应变法判定缺陷程度的关键参数。在振动理论基础上，王雪峰(2002)6研究传感器安装方式对基桩完整性检测的误差影响，认为传感器安装刚度和安装体质量是影响传感器谐振的主要因素。花小民(2004)22采用低应变反射波法与钻孔抽芯法对现场 19 根工程桩-114-114-冯卓轩等：低应变反射波法基桩完整性检测研究综述进行检测，结果表明低应变反射波法能判断基桩缺陷及位置。同年，王军东等23采用低应变反射波法进行现场试验，结果表明在不同的地质条件下，桩身反射波与透射波受到显著影响，使得桩身缺陷难以判断。考虑低应变法在使用过程中的多种因素，文军等(2020)24开展足尺模型桩现场试验；研究结果表明：低应变法在端承桩中具有局限性，需结合其它检测手段一同验证。刘陈希等(2020)25应用低应变反射波法对 PHC 管桩和咬合桩进行缺陷定量分析，并结合场地地质条件以及施工工艺等信息综合判定桩身异常信号原因。试验是对一般性规律的验证，也是对工程实际应用的模拟。而室内试验存在缩尺效应，由于现场工况过于复杂，难以完全控制各种干扰因素。因此，通过现场试验修正数值模拟的基本参数，为数值模拟能有效地模拟各种复杂工况提供了依据。3 低应变反射波法数值模拟研究现状低应变反射波法数值模拟研究现状有限元分析(FEA)是进行科学计算极为重要的方法之一。结构实体有限元分析的力学基础是弹性力学，采用加权残值法与泛函极值原理求解方程组是有限元分析的本质，而实现上述理论是将数值离散化，然后求解满足条件（如结构的平衡条件），从而得到数值解。鉴于实际工程的复杂性，所以数值解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际工程难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂工况，因而成为行之有效的工程分析工具。基于有限元方法，Baguelin&Frank(1979)26在已知单桩横向和竖向静载结果的情形下，使用傅里叶级数的三维模型对基本参数进行优化，并考虑到桩周土重塑区，研究平面应变下重塑区和土体塑化对测量桩长的影响。随后，Akiyoshi(1982)27研究土体与端承桩通过摩擦引起的垂直振动，通过桩-土系统的数值模拟，以获得桩和土体的谐振近似解。肖兰喜和郝爱民(1999)28、黄大治和陈龙珠(2005)29采用有限元方法分别对既有上部结构基桩和桩-土系统进行模拟，总结应力波的传播机理。在实测数据与数值模拟的对比基础上，张献民(2004)30研究瞬态激振条件下均质土中桩存在缺陷的定解问题，并编制了正演计算软件，推导桩侧土阻尼因子与缺陷位置的相关参数和桩径变化程度与波幅之间的影响系数。有限元分析不仅能成功地处理如应力分析中的非均匀材料、各向异性材料、非线性应力、应变以及复杂的边界条件等问题，且随着其理论基础和方法的逐步完善，还能成功地用来求解冲击、动态力学问题。为合理消除现场的干扰因素，满足桩土系统处于理想状态，一般建立模型首先需要进行交错网格的划分，为工程后续的升级改造与修复提供依据。4 结语结语低应变动力测桩对于基桩完整性的检测是一项受众多因素影响的技术方法，适当时需结合高应变法、钻孔抽芯法等基桩检测方法共同进行。结合上述低应变反射波法的相关特性及研究，目前低应变反射波法还存在下列问题：（1）目前低应变反射波法最困难的部分在于如何定量分析缺陷的程度。大部分工程实例都是依靠检测人员的经验而进行判别，但依然难以有定性的标准用于对缺陷的定量分析。笔者建议，利用大量有经验的检测人员录入软件分析，让现行的分析软件直接进行判别。（2）对于桩底有沉渣的桩，不能定量确定桩底沉渣厚度，所以对于端承桩的嵌岩效果无法判断。笔者建议，多个检测方法并行，利用高应变、钻芯法、声波透射法等同时对缺陷桩、嵌岩桩进行分析，得出具有某种效果特征的信号规律，为合理判别基桩情况积累可供参考的分析经验。（3）既有上部结构基桩的检测还存在部分问题，如：上部结构反射信号形成虚假缺陷特征，或与缺陷信号叠加无法分辨，桩侧敲击时难以形成纵波信号，上部结构质量、体积对应力波传播有影响等。笔者建议，应用新技术、新方法、新专利合并解决既有建筑问题。低应变的适用范围越来越广泛，复杂问题也得到了逐步的解决方案。受空间场地条件约束，与其它检测方法相比，低应变反射波法具有设备简单、灵活轻便、经济合理等优点。另外实际测试时，低应变反射波法基本以无损伤方式检测基桩的桩身完整性，适合用于评价工程桩健康状态。随着低应变-115-115-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期反射波法深度的推广和普及，在社会上已经取得了一定的经济效益。但其在复杂结构上的应用仍存在问题，希望随着理论研究以及技术的发展，能将低应变反射波法应用到桩长更长、桩径更大的基桩检测中。参考文献参考文献1 Smith E A L.Pile-driving analysis by the wave equation J.Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division,1960,86(4):35-61.2 Isaacs D V.Reinforced concrete pile formulae J.Journal ofthe Institution of EngineersAustrali,1931,31(3):305-323.3 Novak M,Jurado 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