基桩低应变反射波法检测中的频率分析法

２００１年第１期　水利水电　基桩低应变反射波法检测中的频率分析法　张艳平　捕要结合实例分析应力波在基桩检测中的传播特性，比较不同缺陷的基桩实测曲线．应用　频率分析法，进行桩身缺路判断。　关键词基桩反射渡法应力波频率分析　ｌ　引　言　基桩低应变反射波法是对基桩进行桩身完整性检测的一种方法。该方法的基本过程是用　小力锤敲击桩顶，给桩一定的能量，使桩中产生应力波，利用传感器（加速度或速度传感　器）检测桩顶质点及桩体振动信号，接收和分析应力波在桩体中的传播历程及敲击作用下桩　体的振动情况，便可分析出基桩的桩身完整性。低应变反射波法起源于本世纪七十年代早期　的荷兰．同期在法国、美国也有同样的方法用于检测桩身完整性。目前，该方法以其操作轻　便、快捷、经济、判断准确被广泛应用于基桩检测领域，国内外已生产出比较成熟系统的检　测仪器如：美国桩基动力公司（ＰＤＩ）研制的ＰＩＴ（Ｐｉｌｅ　Ｉｎｔｅｇｉｓｔｓ　Ｔｅｓｔ），荷兰国家应用科学　研究委员会研制的ＦＰＤＳ（Ｆｏｕｎｄｉｔｉｏｎ　Ｐｉｌｅ　Ｄｉａｇｏｎｏｓｔｉｃ　Ｓｙｓｔｅ　ｒｒ】），中国武汉岩海公司研制的桩　基动测仪Ｋ（Ｐ）一Ｉ６ｌ６，中国建筑科学研究院研制的基桩动测分析系统ＦＥＩ—ｃ，中国科学　院武汉岩土力学研究所研制的全程浮点动测仪ＦＤ＿一Ｐ２０４等，这些仪器都配有自身的采集、　分析轼件系统。　低应变反射波法应用于基桩完整性检测　能够判断出基桩的桩底、桩身夹泥、离析、断　裂、缩颈、扩颈、空洞等缺陷，根据反射时间和桩体中应力波传播的速度可　估算桩长或缺　陷位置；由于本方法的分析判断还不能进行定量地给出解释，很大程度上取决于工程技术人　员的判断和实践经验，在对基桩完整性进行分析判断时，分析方法仅局限于时域、频域两大　方向，具体分析依靠技术人员的主观判断，因此在给桩身缺陷进行分类时主观因素起决定作　用，容易造成过重、过轻或误判，没有清晰的分析思路及标准＝本文通过阐述应力波在桩身　传播的特性，对几个实例的分析，阐明低应变反射波法分析中的一种新的分析方法一频率分　析法，该方法建立在时域曲线的基础上，分析检测信号中的各种频率特性来判断曲线所反映　的桩身完整性情况，并给出相应的桩身完整性判断方法。　２应力波在缩颈、扩颈桩中的传播特性　应力渡在桩身的传播特性如图ｌ、２所示，利用小锤敲击桩顶，在桩顶产生向下传播的　９　维普资讯 http://www.cqvip.com

应力渡，我们把应力波初始相位定义为正值，即质点向下运动速度看作为正值，质点向上运　动速度看作为负值。应力波在波阻抗变化的界面发生反射．阻抗ｚ与介质密度ｐ、应力渡在　介质中的传播速度ｃ、介质截面面积Ａ有如下关系：　Ｚ：ｏｃＡ　图ｌ为桩身存在缩颈界面，　应力渡在缩颈界面（阻抗变小　＾甜皱　ｚ　）产生质点向下运动的拉应力　波，速度幅值为正．应力波在阻　蚺　．执反射城　慌玖　／＼　Ｔ　被＼　抗变小的界面产生反射上行波，　与入射波同相，上行波到达桩顶　以上界面阻抗变小（ｚ，空气），　产生质点向下运动的拉应力下行　波，在缩颈界面（Ｚ３）又产生反　射。产生质点向下运动的拉应力　Ｉ　’　曲Ｏ１ｘＩＨ　０　…　●…●　ｉ……１●　上行渡，幅值为正。与入射渡同　相，即产生二次反射．如此有三　图１桩身存在缩颈的应力波传播特性　的压应力反射上行波，与入射渡　反相。图２为桩身存在扩颈界面　图２桩身存在扩颈的应力波传播特性　（阻抗变大）应力渡在扩颈界面产生质点向运动的压应力反射上行渡，幅值为负，与入射波　反相位，上行波在桩顶产生质点向上运动的拉应力波向下传播。在扩颈界面产生质点向下运　动的压应力反射上行波，即应力渡在扩颈界面的二次反射．幅值为正，与入射波同相位，如　此反复等。　上述两种曲线描述的主要是桩身体内质点振动特性，应力渡在阻抗变化界面的多次反　射，根据波动原理：　ｃ＝盯　（２）　式中。＾一波长；　卜一反射波出现频率；　ｌ０　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｃ一应力波传播速度。　从图ｌ可得出　．＝２１（即波从桩顶到缺陷位置又反射到桩顶的行程）因此２式为：　ｆ：ｃ／２１　（３）　缺陷位置越深，曲线上表现的频率越低，ｆ＝Ｖ△ｔ（　从曲线上可直接读出），根据时闻　可求出应力波在缺陷位置反射的频率特征，通过采用不同频率的低通、高通或带通滤波，对　不同频率成份的曲线进行分析，来判断桩身缺陷的性质及原因。　３桩身存在浅部较重缺陷桩的检测曲线的频率特征　如图３所示为桩身浅部存在较重缺　陷的典型曲线，从曲线上可以看出主要　存在两种频率成份（　：Ｉ．３８ｋＨｚ、　＝１５ＩＨｚ）如图４所示，图４ａ曲线（频　率为ｆＩ）为质点振动的曲线特征，图　４ｂ曲线（频率为　）为低频衰减的简　谐振动曲线。如图５ａ把桩身分为Ａ、Ｂ　两部分，图４ａ曲线为应力波在桩体Ａ　内的传播特征，入射波为质点向下运动　的下行压应力波，速度为正值，在Ａ图３桩身浅部存在较置缺陷的典型曲线（蕾０．５×２０．０ｍ）　的底面产生质点向下运动的拉应力上行波，速度幅值是入射波的两倍．为正值如图４ａ所示，　如此多次反射逐渐衰减。图４ｂ曲线为桩体Ａ的简谐振动，可以近似为有阻尼简谐振动如图　５ｂ所示。　：　？　～…　．．　＼　。　ｌ　ｙ　Ｖ　…。　’　。　７．／＼．～．，．　：　Ｖ　图４检测信号的两种频率特征曲线　图５　ａ存在缺陷桩的示意图　ａ　１．３８ｋＨｚ　ｂ．１５１Ｈｚ　ｂ简谐振动的模型　有阻尼简谐振动的微分方程为：　ｍ　＋。’　ｋｙ：０　（４）　式中，ｍ——ｌ桩体质量；　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｃ一阻尼：　ｋ——剐度；　ｖ——传感器检测的位移。　为分析简化，不考虑阻尼，即：　ｍ　＋ｋｙ＝０　（５）　筒谐振动的固有频率：　ｆ＝　ｗｏ（６）　刚度ｋ为桩体Ａ与桩体Ｂ的连接刚度，缺陷越严重表现为刚度越小，桩体质量ｍ的太　小表现为桩体Ａ的长度太小即缺陷位置的深度　，因此：　ｋ一定：卜－短（即ｍ一小），ｆ　高　ｍ一定：ｋ一小．　＋低　缺陷严重程度相同的情况下（ｋ　相近），检测曲线上低频成份（简谐振　动的固有频率）ｆ越高，缺陷深度越　浅。如图６８、图６ｂ为同一根桩，缺　／、　广　　｝　，　陷位置分别为１．２ｍ、０　４ｍ时（检测　时，桩顶以下的位置）的检测曲线，　图６ａ的低频曲线颡率（ｚ７７Ｈｚ）低于　翻６ｂ的低频曲线频率（３７０Ｈｚ）。　图６ａ缺陷位置在１．２ｍ时的检测曲线ｃ伽．５　Ｘ　２０．０ｍ　缺陷深度一定的情况下（ｍ相　近），检测曲线上低频成份（简谐振　动的固有频率）ｆ越低，刚度ｋ就越　小，即缺陷越严重。如图６ａ、图７　／＼　．八．一　ｖ／＿／　均为１．０ｍ左右存在缺陷，从图上　可看出图６ａ的低频曲线频率　（２７７Ｈｚ）太于图７的低频曲线频率　（２ｌ７Ｈｚ），图７桩的缺陷严重程度太　；　／　＼　／　、　一　Ｖ　于图６ａ桩，从开挖结果看，图６ａ　为轻度裂缝，目检不易发现，图７　打＃为断裂，一侧能看到宽度为１～　２　ｍ的裂口。　国６ｂ缺陷位置在０．４ｍ时检测曲线ｆ蜘．５　Ｘ　２０　０ｒ．　考虑阻尼存在时，自由振动为衰减振动，固有频率稍有降低，振幅按等比级数衰减：以　上曲线均符合此种情况。　４运用频率分析法进行实例分析说明　圈８、图９为两根不同场地不同规格的桩的检测曲线，从检测曲线上看二者有相似之　２　维普资讯 http://www.cqvip.com

处，图８桩在２　３ｍ、７．５ｍ两处有缺　陷反映，根据检测原始曲线只能判　断存在缺陷，可能判为轻度缺陷而　通过．难以判定缺陷的严重程度。　八Ｖ入　’＼／＾　／　：　通过对曲线进行运次滤波，低通滤　波频率为４００Ｈｚ时的曲线如图８ｂ所　示，２．３ｍ缺陷为轻度缺陷，７．５ｍ　缺陷表现明显为严重缺陷，且存在　多次反射。抽芯结果及开挖结果　（开挖深度为３．８ｍ，抽芯深度为　、　／　；　＼√／　／　＼　／　固７缺陷位置在１．Ｏｍ左右　ｌ０　０ｍ）与判断结果一致，抽芯结果　为２．３ｍ以上砼胶结好，２．３—３．８ｍ段　缺陷严重时的检测曲线ｆ锄　ｊ　ｘ　２０．Ｏｍ）　桩中间０．７ｍ直径砼胶结最好，仅南半　部砼较差（为抽芯处，抽芯位置离桩边　０．２ｒｎ），３．８～７．５ｍ砼胶结一般，７．ｓ　９．５ｍ砼胶结差。结台地质资料分析，　该场地２．３—７．５ｍ深度为粗砂透水层，　以及两台桩机同时施工间距较小。施工　过程中混凝土可能严重跑浆，造成严重　离析。图９桩在２．５ｍ、７．０ｍ两处有缺　固８ａ缺陷位置在２．３、７　５ｍ时　的检测曲线ｃ　１．２ｘ　５５　Ｏｍ）　陷反映。从曲线整体看，可能判断为轻　度缺陷而不作处理，对缺陷进行低通滤　波（低通频率为４００Ｈｚ）如图９ｂ所示、　７．０ｍ处缺陷严重，存在多次反射（频　率为２２７Ｈｚ左右），如果把曲线进行横　＾Ｖ　：　’　｜　ｃ　０　｝　｛　ｏ　向压缩，将类似如图３所示，极低频简　谐振动信号加载７，０ｍ处缺陷的多次反　｛　。ｉ　／　、　，．　、　一ｆ　射信号，由于缺陷较深，检测曲线低频　简谐振动较难分析（因锤击能量较小）。　经钻孔抽芯（抽芯位置为桩中心）　７．０ｍ处严重离析，砼无胶结。此桩比　图８桩缺陷表现稍严重。此二桩均为桥　梁桩，检测完后，均进行了补救措施。　频率分析法还可排除检测曲线上非桩身缺陷因素造成的干扰。如图１０所示图８ｂ额率处理后的检铡曲线ｃ０１　２×３５　Ｏｍ　ａ曲线浅　部存在多次反射及杂波，易判断为存在较严重缺陷（裂缝等）经过滤波分析得ｈ曲线，桩身　完整，有明显的蛀底反射，曲线为标准的完整桩检测曲线。分析杂波产生的原因为桩身砼龄　ｌ３　维普资讯 http://www.cqvip.com

期不够，桩基施工完成两天后进行检　测．以及桩身浅部１．Ｏｍ的护简影响．　桩身本身不存在缺陷。　用频率分析法对轻度缺陷桩进行分　析，能对缺陷的性质及类别有更准确的　判断。如图Ｉ１所示，ａ曲线为一预制　、／＼　桩检测信号，从曲线看试桩在Ｉ．１ｍ处　存在缺陷，并有轻度的二次反射出现．　预制桩接桩部位也有反映，为进一步判　定缺陷的类别，滤波后得到ｂ曲线，曲　线完整，不存在低频简谐振动信号，曲　线尾部能判定出桩底反射，因此缺陷为　轻度缺陷，该桩开槽后检查，１　ｌｍ处　有一小的混凝土缺口，如图ｌ２所示，　与判断一致。　周９ａ缺陷位置在２　５　７．ＯⅡ】时　的检测曲线ｃ　１．５×４．６．Ｏｍ）　５结语　频率分析法为根据实测曲线的性　质，建立曲线中各种频率成份特征振动　信号与桩身缺陷之间的相关关系，从而　进行桩身缺陷分析判断的一种方法。　该方法对浅部存在严重缺陷的　Ｖ　‘　＼厂　／一　一一＼／　图９ｂ频率处理后的检则曲线ｆ　１　５　ｘ　４－６　Ｏｍ）　毛庄，寻找低频简谐振动曲线，分析缺　陷的严重性。分析断裂桩或严重空　洞、离析的桩时，应分析是否存在低　频简谐振动波形，及质点在缺陷以上　部分的多次反射，同频率成份的波形　■　八　：　●Ｖ　多次出现，缺陷太严重或太浅，多次　反射有时未表现。分析较重的离折与　缩颈时，可以根据质点多次反射的波　形频率及后续波形的衰减快慢来区　别，较严重离析桩的反射波形频率较　图１０　ａ原始检测曲线　ｂ频率虬理后的检谢曲线ｆ　１　２×２９．Ｏｍ）　低，后续波形衰减快。　般缺陷或轻度缺陷桩．进行频率分析处理后，一般有明显的桩底反射，不存在低频的　振动波形，可根据检测曲线频率特征分析桩身缺陷的性质及类别。　ｌ４　维普资讯 http://www.cqvip.com

＾、　。　ｄ．　，　『＼．　．　ｂ　＼’＿　一，　ｆ　图１２轻度桩身缺陷示意图　图ｌＩ　自原始检测曲线　ｂ频率处理后的检测曲线｛西０　４×２２．０ｍ）　同时，运用频率分析法，对桩身缺陷进行定性判断有利于寻找造成桩身缺陷的原因，根　据检测曲线的各种频率特征，结台施工工艺及现场地质情况等进行综合分析，寻找原因，为　下一步施工提供注意事项或引以为鉴。　（上接第８页）　７结语　本文对海珠广场站基坑涌水量进行预测，并与实际基坑涌水量作比较．预测涌水量与实　际涌水量存在差异。说明通过均匀介质的理想化模型预测不均匀边界介质的基坑涌水量，预　测结果与实际涌水量存在差异在所难免。　基坑涌水量预测计算应采用多种模型计算，并结合地区经验类比，来指导施工采取措施　较为可靠，不应完全依赖模型计算结果。在施工过程密切注意涌水量情况采取相应措施。　由于本人水平有限，文中不妥之处在所难免，本人旨在通过介绍、讨论，起抛砖引玉　作用，衷心期望专家批评指正。　８参考文献　ｌ地下铁道　轻轨交通岩土工程勘察规范ＧＢ５０３０７—１９９９北京：中国计划出版杜。２０００　２柿宗元主编．岩土工程冶理手册．辽宁科学技术出版杜，１９９３；（９）　３河北省地质局水文地质四大队主编．水文地质手册．北京：地质出版杜，１９７８　４交通部第一铁路设计院主编铁路工程地质手册北京：人民交通出版社１９７５　５廖景ｔ史海欧　海珠广场地铁站基坑支护设计．广州：广东土术与建筑２０００：６　广东土木与建筑编辑部出版Ｉ５