方法论②-高低应变桩身完整性检测的差异性

论高低应变检测法

对于基桩完整性检测而言，高应变、低应变测试的理论背景是基本一致的，都是基于一维波动理论的行波运算。现场测试方法其实也比较类似，即在桩顶施加一瞬态激励，产生的应力波沿桩身传播，遇到阻抗Z变化的部位同时产生反射与透射，通过在桩侧或桩顶安装传感器，可接收因阻抗变化产生的反射波，依据反射波到达的时间、幅度和相位等来推断或计算出桩身阻抗变化的部位和程度。

那么这两种测试方法在桩身完整性

检测方面有什么区别呢？

由于冲击能量的区别，一般情况下，高应变所用的锤重是低应变锤重的几百上千甚至几千倍，从而对桩土之间的相互作用，如高应变桩与土之间会发生相对位移和塑性变形，低应变桩身处于初始弹性变形范围内，桩身的应力水平也处于不同的限值下

另外，在桩身完整性分析时，高应变试验定量地考虑了土阻力波的影响，低应变试验则无法定量考虑土阻力波的影响，这是两者在分析方法上的差别。

根据完整性系数的定义，针对不同的桩型，我们也能看出两种检测方法上的区别。

01完整性系数

假定一变阻抗的桩，在截面的上部阻抗为Z1，下部为Z2，则桩身的完整性系数的一般性公式即为：（注：在高应变测试中，由于涉及到具体的行波运算，此公式有一定的修正）

其中：

ρ一一桩身材质密度

C一一弹性波速

A一一桩身截面积

E一一桩身弹性模量

Z一一波阻抗

β一一桩身完整性系数

根据完整性系数的公式，反应的是桩身截面尺寸与材质的连续性，那么从而得知影响完整性偏差的要不就是截面面积A如（缩径、扩径）的变化，要不就是桩身材质ρ（如混凝土离析、松散）的变化。

02预制桩测试中区别

由于预制桩的桩体是在工厂预制好的，一般情况下，如无特殊的设计要求，桩身的材质都是比较均匀稳定的，所以预制桩的完整性缺陷一般是裂缝、多节桩接头不良等，这些反馈到计算公式中即为A的变化。

冲击脉冲在沿桩身传播过程中，由于桩侧土阻力、桩身材料阻尼的散射作用，脉冲能量都将逐步地衰减，但冲击能量的高低，以及冲击的频率构成都将影响脉冲的衰减速度。

在高应变试验中，冲击能量高，桩周土往往处于塑性阶段，冲击能量被土阻力消耗的比率较低，冲击脉冲的大部分能量可传至桩底。同时，高应变脉冲作用时间长，主频较低，材料阻尼、土阻尼消耗的能量比率也较低。对于多节预制桩，高应变脉冲穿透接桩缝的能力也很强，可将能量传至桩的中、下部。

在低应变试验中，冲击能量低，桩周土处于初始弹性阶段，冲击脉冲能量被土阻力消耗的比率较高。脉冲作用时间短，主频高，材料阻尼、土阻尼消耗的能量比率会大大增加，冲击能量在桩身中迅速衰减。对于桩侧摩阻力较大的长桩，难以传至桩底。对于多节预制桩，预制桩的接头也会给低应变脉冲的能量传递造成明显障碍，冲击脉冲难以到达桩底。

在实际工程中，即使接缝完全张开，接口处也非完全自由，只有少部分应力波可以透过。在高冲击能量下，有些接缝甚至能再次闭合，使得入射波能轻易的透射向下传播，而无上行反射波。在低冲击能量下，使得透射波比较难穿透，而上行反射波较强。

高低应变检测法在评价预制桩接缝缺陷的优劣点：

由于冲击能量高，能量消散的比率小，所以高应变对检测深部缺陷有一定的优势。但也因此，过高的冲击能量会使入射波透过性比较好，可能会漏判一些小缺陷。

在满足应力波可以到达桩底覆盖整个桩身或可到达某缺陷位置的前提下，低应变要比高应变来得敏感。

低应变试验对多节预制桩的中下部缺陷不敏感。对预制桩，采用低应变试验检测桩身完整性，适宜在沉桩后较短时间内进行，以减少土阻力波对冲击脉冲的衰减作用。这与灌注桩低应变检测时对桩身混凝土龄期与强度需满足一定的要求有区别。

低应变不能定量考虑土阻力波的计算，且在信号分析时，用起始脉冲的幅值近视替代缺陷处入射脉冲幅值。由于能量衰减的影响，缺陷处入射脉冲的幅值一般是要小于起始脉冲的幅值，所以低应变容易轻判或低估缺陷的严重程度，这是低应变检测的一个比较大的劣势。

为了兼顾低应变与高应变完整性检测的优点，国内的检测专家提出了一种中应变的概念，即将锤重提高到几百公斤级，并进行了一些试验验证。不过由于没有大量的实践数据的支撑，并且在探讨阶段，配套的检测设备如传感器等也需做一定的适配。

如果该技术成熟后，对长摩擦多节预制桩的中下部完整性检测会有一定的技术提升，感兴趣的同行可以评论区留言讨论下。

03灌注桩测试中区别

灌注桩的完整性测试要比预制桩更麻烦一些，因为灌注桩的桩身材质的稳定性一般情况下比预制桩要差很多，即截面积A与材质密度ρ的变化更加明显，A的变化影响可参照第二部分，那么ρ的变化在低应变与高应变的检测中有什么不同反应呢？

密度的变化最直接的影响就是阻抗变化处混凝土的强度产生了差异，由于桩身混凝土本构关系的非线性，桩的波阻抗是应力水平的函数，桩身完整性系数β与试验应力水平相关。对混凝土灌注桩，当桩身在某一截面上、下混凝土强度存在差异时，随着应力水平的增大，该截面上、下波阻抗差别增大，从而导致β系数增大。

从应力水平与桩身混凝土强度的角度考量，低应变检测灌注桩的冲击能量比较小，应力水平值对完整性β值的影响较小或无影响。在激发极限承载力的测试条件下，使用高应变做桩身完整性测试，更加合理一些。因为我们更多考量和关心的是在极限承载力下的桩身完整性信息。