A. 樁基動態無損檢測法
隨著高層建築、大型工程的蓬勃興起，在地基工程中，樁基礎被廣泛地使用。樁基具有防震、抗震、承載力高、沉降量小且均勻等特點。由於樁基是建築物的持力基礎，樁基的質量對建築物的穩定性影響很大，在混凝土灌注施工過程中，常常會造成部分樁出現斷裂、縮頸、擴頸、混凝土離析和蜂窩等現象，如不及時發現和處理將是建築物的長期隱患。
傳統檢測樁基完整是採用鑽探取心法測定樁基承載力，採用靜載荷壓樁試驗。這些方法雖直觀，但均存在設備笨重、成本高、工期長、檢測數量少、隨機性大等缺陷。而且，1%的驗樁率遠遠不能評價全部樁基質量。
動態無損檢測法具有省時、省力、經濟、簡便、無損、可靠等優點。
一、樁的動測技術的發展與應用近況
1.樁的動測技術在國外的發展和應用
近十年來，國外在樁動測技術方面有兩件事值得我們關註：一是對國外廣泛應用的波動方程法測樁的承載力進行了考核；二是國外出現了另一種新的動測樁承載力的方法，叫做靜動法，並且很快得到了認可和應用。
1992年在荷蘭海牙召開的第四屆國際應力波理論在樁基中應用的會議期間，對國外廣泛應用測樁承載力的波動方程法進行了考試，共有國際上有名的10家單位參加。試樁長為11.5m，截面為0.25 m×0.25 m，參加測試單位絕大多數都採用CAPWAP的程序和PDA儀器，但是測試結果很不理想，除了一家的結果（圖2-4-1曲線B）與靜載試驗結果（圖2-4-1曲線A）較接近外，其他結果均與靜載試驗結果相差甚遠，其中最低破壞荷載為90kN，最高為510kN，而靜載試驗的破壞荷載為340kN。
由此可見，即使採用相同的儀器、相同的程序、相同的方法，由於測試人員的素質和經驗不同，也會得到不同的承載力結果，這是值得我們引以為戒的。
為了搞清CAPWAP法和PDA儀器的實際應用效果，美國聯邦高速公路管理局（FHWA）委託麻省理工學院的佩柯斯基（S.G.Paikowsky）教授進行調查，後者搜集了206根樁的動靜對比試驗，結果如圖2-4-2所示。該圖的橫坐標為貫入1英寸所需的錘擊數；縱坐標表示靜荷載試驗結果與用CAPWAP實測結果之比值。由圖示結果來看，多數情況下CAPWAP所提供的樁承載力比靜載的結果要小，但也有偏大的情況。在分析樁打入性能和樁承載力時，國外採用的軟體有多種，但較為廣泛應用的除CAPWAP程序外，還有WEAP程序和TNOWAVE程序等，但其存在的問題大致與CAPWAP程序相同。
圖2-4-1 測樁承載力對比結果圖
圖2-4-2 動靜對比試驗結果圖
2.樁的動測技術在國內的發展和應用
樁的動測技術在我國的推廣和應用，經歷了一段不平凡而且頗有特色的道路。1989年第一次在北京召開的「全國樁基動測學術交流會」，開始將樁的動測技術推廣應用於工程實踐。1995年10月正式頒布了我國行業標准《基樁低應變動力檢測規程》（JGJ／T93-95），使我國小應變動測法進入了實用推廣階段，我國的「基樁高應變動力檢測規程」（JGJ106-97）也於1997年正式頒布。總之，動力測樁的技術在我國的工程建設中已經得到愈來愈廣泛的應用。
由於動測技術的發展，許多有關樁動測的學術爭議也隨之消失。例如，用小應變激振方法能否測定樁的完整性的問題，隨著大量的工程實踐已經得到了解決。目前，全國幾乎所有動測樁單位均採用小應變激振方法來檢驗樁的完整性。至於用小應變激振方法來檢測樁的承載力問題，雖然有些人尚不能接受，但全國已有90多家單位通過了國家建築工程質量監督檢驗中心組織的考試，獲得了建設部頒發的資質證書，允許在樁基工程中應用。盡管有些單位在掌握和應用這些新技術方面還不盡人意，但至少說明了這些技術所具有的優越性和強大的生命力。
此外，我國許多學者和研究人員近年來在樁的動測方面也進行了大量研究開發工作，有些單位還研製了新的儀器和設備，已經在樁基工程中得到應用的幾種動測方法，現在也在進一步改進中。
盡管我國在動測樁的應用和研究開發方面取得了很大的成績，並且在某些方面結合我國國情還有所創新，但也要看到我們在實踐中還存在著許多問題，它們是：①有些方法實施效果不盡人意，需要改進；②某些測試儀器質量不高，不能滿足測試要求；③有的測試單位因經濟利益驅動，接受了某種動測方法本應限制使用的測試任務；④測試人員缺乏應有的經驗或素質不高，造成測試結果不佳或誤判。總之，我們應清醒地看到，樁的動測新技術還將不斷地發展，各種動測方法必須以傳統的靜載試驗作為依託，而不是相互排斥。
二、樁基的類型
目前，我國採用的樁基主要有沉管灌注樁、鑽孔灌注樁、鑽擴灌注樁、沖孔灌注樁、挖孔灌注樁、爆擴灌注樁、鋼筋混凝土預制樁、鋼樁、旋噴樁、振動碎石樁、振動擠密砂樁等類型。
樁基按受力分類可分為摩擦樁、端承樁、擴底墩型樁。摩擦樁以樁周土的摩擦力為主，樁尖支承力為輔。端承樁的樁底坐落在堅硬的基岩上，它以樁底基岩的反向支承力為主，以樁周摩擦力為輔。擴底墩型樁要求擴大樁底部的接觸面積提高支承力。
三、樁基無損檢測方法
以應力波理論為基礎的檢測樁基質量的瞬態動測法和穩態振動法使用得最廣泛。
1.瞬態動測法（錘擊法）
嵌入土中的樁基，相當於一個在阻尼介質中上端自由與下端彈性連接的彈性桿，如圖2-4-3。在樁基頂端應用錘擊的辦法施加一脈沖激振力f（t），樁將產生縱向振動而產生應力波。波沿樁身傳播至樁底部分能量反射回樁頂。若激振力足夠大，樁和樁周圍一定范圍內的土將作為一個體系產生自由振動。通過儀器接收這些波，可對樁基質量作出判斷，並推算出單樁承載力。
圖2-4-3 一維彈性桿模型
（1）反射波法
a.基本原理及波形特徵
反射波法的現場測試工作如圖2-4-4所示。利用小手錘在樁頭施加一沖擊力f（t）被激發應力波在樁身內傳播，當遇到波阻抗界面時，將產生反射波，如圖2-4-5所示。
其反射系數為
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式中：A1、A2為樁身截面積；ρ1、ρ2為介質密度；v1、v2為波速；R表示反射波與入射波的振幅比。這里是以廣義的波阻抗Aρv替代波阻抗ρv，它取決於波阻抗的差異和截面積的變化，反射波旅行時與平均速度及波阻抗界面的深度l有關。然後利用拾震器接收初始信號，樁身缺陷和樁底產生的反射波信號，通過儀器進行處理和分析，結合地質資料對樁的完整性和混凝土的質量作出評價。
b.樁基完整性的分析與判別
完整樁 完整樁一般指樁身混凝土膠結良好，均勻連續，抗壓強度達到設計要求的樁，它只存在一個樁底波阻抗界面，由圖2-4-6可以看出，A1ρ1v1＞A2ρ2v2，所以R＜0，根據入射波和反射波速度量的相位關系為同向，體現在U（t）曲線上信號為同向疊加，如圖2-4-7所示其波形特徵為一衰減振動曲線，衰減快，樁底反射波明顯，解析度高。由圖分析可得一次反射波旅行時為t，樁長為l，則平均速度為
圖2-4-4 小擾動應變力波反射法示意圖
圖2-4-5 應變波的反射與透射
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t可以從時程曲線上讀得，若知vc或l中任一個，便可求解。若二者均未知時，常利用統計的方法或其他實驗的方法假定vc或根據施工記錄來假定l，以求得近似解。
缺陷樁 當樁間存在缺陷，如斷裂、夾層、空洞、縮頸或擴頸時，缺陷部位的應力波傳播速度v、密度ρ或截面積A與樁身完好部位都有所不同，即存在波阻抗差異。當應力波遇到波阻抗差異界面時，將會產生反射。若根據這一反射時間計算整樁的波速，則其結果將大於完整樁時的波速。如圖2-4-8 示，樁身在l1處斷開，Z2相當於充氣或充泥的波阻抗，反射系數，R＜0，曲線中主要反映了l1處多次反射波，而樁底反射不清。圖2-4-9 表示在l1處樁產生擴頸，應力波在l1處反射系數R＞0，入射波和反射波為反向疊加，從時程曲線不難確定擴頸和樁底位置。
圖2-4-6 樁身完好
圖2-4-7 完好樁實測波形
圖2-4-8
圖2-4-9
根據樁彈性波速度評價樁的質量 眾所周知，樁基的波速與樁身混凝土的密實程度有關。緻密的樁身，其波的傳播速度則大，鬆散的樁身，其波速則小。
對動測樁身質量分類評價，是根據不同工程和不同類型的樁基檢測和靜荷載資料對比，可從兩個方向分類評價——樁身完整性和混凝土質量：①樁身完整性包括完好樁、微縮擴頸、嚴重縮頸、大面積離析、斷樁等可以根據動測波型特徵判斷；②混凝土質量則可以根據動測樁的波速進行評價。對灌注樁採用下表2-4-1所列波速進行分類判別。
表2-4-1
（2）樁基承載力推算原理
摩擦樁承載力的計算原理
摩擦樁指樁置於松軟地層。當用重錘豎向敲擊樁周土或樁頭而被激起振動後，將在垂向作自由振動，並通過樁側摩擦力及樁尖作用力帶動樁周部分土體參予振動，形成復雜的樁—土振動體系，其裝置見圖2-4-10所示。樁及樁側參振的土體，可視作單質點振動體系，根據質量—彈簧—阻尼模式振動理論，可推導出樁基的剛度計算式。再根據剛度與承載力之間的直接相關關系，可計算出樁基的承載力。
圖2-4-10 頻率法檢測裝置示意圖
圖2-4-11 樁—土體系示意圖
計算單樁抗壓剛度 在樁—土體系振動的曲線上求出振動周期 Tz，計算出自振頻率fz，如圖2-4-11所示。根據單自由度的質量—彈簧體系，其質量和剛度同頻率關系：ω，單樁抗壓剛度為
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式中：λ是動力修正系數，可取λ=2.365；g是重力加速度為9.81（m/s2）。
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式中：（梨形土體擴散半徑）；A———樁的橫截面積（m2）；L0———樁的全長（m）；L———樁的入土深度（m）；r1———樁的砼容重（kN/m3）；r2及φ———分別為樁的下段范圍內，土的容重（kN/m3）及內摩擦角。
計算單樁臨界荷載 臨界荷載指與按靜荷載試驗測定的P—S曲線上與拐點對應的荷載。根據動靜對比關系，可得臨界荷載：
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式中μ為靜載與動測之間的比例系數。它是選取不同地質條件下各種類型的樁基，進行動靜對比試驗，通過數理統計分析求得的回歸系數。
計算單樁允許承載力（Pa）對粗長樁，特別是當樁尖以下土質遠較樁側土強時，則
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對中小樁，特別是當樁尖以下土質較樁側土弱時，則
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式中k為安全系數，一般取2.0。
2.穩態振動法（機械阻抗法）
（1）方法原理
將樁視為一維彈性體，當其受縱向穩態振動時，給定不同的邊界條件，既可求得樁的動力反映，該反映包含了材料的有關信息。研究樁的動力反映曲線可判定樁的質量和樁基的承載力。
（2）測試系統
樁的穩態激振測試系統如圖2-4-13所示。超低頻信號發生器輸出頻率5Hz～1500Hz的自動掃描正弦信號給功率放大器，由它推動樁頂中心的電磁激振器向樁施加幅值不變的動態激振力（即：激振力在激振頻率變化時，保持恆定，使樁產生穩態振動）。在樁頂和激振器之間有力感測器，它可知激振力的大小，樁頂拾振器接收樁的振動信號，經測振放大器與IBMPC/XT機相連，可進行計算並列印出成果圖件。
圖2-4-12 樁基的導納反應曲線
（3）測量信息的利用及判別樁質量的依據如果使用一定能量在樁頂進行激振，其激振力為F（ω），則樁身內產生應力波，並沿樁身向下傳播，在任何一個密度不均勻的界面上則有一部分能量反射回到樁頂，這時在樁頂用拾震器可直接測量到樁基系統的速度反應U（ω），則速度導納為：
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它決定於樁基系統的質量，阻尼系數和樁基的抗壓剛度。以頻率f為橫坐標，以速度導納絕對值為縱坐標的導納反應曲線，如圖2 4 12 所示。樁—土體系不同，導納反應曲線也有差別，速度導納曲線是判別樁基質量的重要依據。
a.樁身砼的波速vc
由波動理論可知：
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式中：Δf是導納曲線上兩諧振峰之間的頻率差；L為樁長。
應用時根據已知樁長L和測得的Δf計算vc，正常砼的波速vc=3300～4500m/s，若vc小於此范圍，說明砼的質量較差。另外，也可利用Δf和正常vc值反算樁長Lm，質量好的樁L=Lm，若Lm＜L則反映了在深度處有質量問題。
圖2-4-13 穩態激振測試系統
b.特徵導納
所謂特徵導納是指導納頻譜曲線上振幅的幾何平均值，還可以求出特徵導納，利用實測的特徵導納與理論計算的特徵導納作比較，可判別樁基的質量。如果實測值接近理論計算值說明樁基的質量及完整性較好。
理論計算的特徵導納公式為
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式中：ρc是樁基質量密度；Ac為樁的截面積。
實測特徵導納表示為
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式中：ρmax和Qmin是速度導納的最大值與最小值，由圖2-4-13中讀出。
若Nm≈N為正常樁，若Nm＞N，說明ρc或vc變小（存在局部混凝土鬆散）或Ac變小（局部有縮頸）。若Nm隨頻率增高而變小，表示樁徑上大下小，也為縮頸樁。若Nm＜N，一般為擴頸樁。
c.動抗壓剛度
當樁在低頻（低於樁的固有頻率）激振時，位移較小，樁的振動可視為剛體運動或平動，此時導納曲線接近於直線，其斜率的倒數為樁的動抗壓剛度，即
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式中|U/F|和fm為導納曲線的低頻直線段上任一點M的導納值和頻率。
動抗壓剛度的意義及用處可歸納為：KD反映樁周土對樁柱的彈簧支承剛度，KD值的大小與樁的承載力有一定聯系；KD值與靜剛度KS建立統計關系，可以評價單樁承載力，並可估計在工作荷載下樁的彈性位移。
在實際工作中，通常不易獲得理想的曲線，在測得的諧振峰中常摻雜一些假峰，為區別真假峰，尚須測定隨頻率變化的速度導納相位變化曲線，即導納譜相頻曲線。相頻曲線上的零相位點所對應的導納譜幅頻曲線上的波峰，即為有效的諧振峰。
（4）不同類型模型樁的導納譜曲線特徵
a.完整樁
幅頻曲線的低頻段與理論導納譜曲線相近似，利用相頻曲線的零相位點可准確地找出諧振峰，諧振幅間隔均勻、整齊，平均頻差為1450Hz，按公式vc=2×L×Δf，算得波速4350m/s，屬完整正常波速。如圖2-4-14所示。
b.全斷樁
圖2-4-14 完整模型樁導納譜曲線
圖2-4-15是全斷裂模型的導納譜曲線，特點是反映全斷面的諧振峰明顯，在相頻曲線上有對應的零相位點，這是因為應力波在樁身遇到全斷面時，絕大部分能量被反射到樁頂，樁底反射效應不明顯。根據所得頻差可計算斷裂位置。測得Δf=207.5Hz，算得樁身斷裂深度I=8.6～9.6m，也與實際斷裂位置9.0m吻合。
圖2-4-15 斷裂模型樁導納譜曲線
（5）樁基完整性分析與判別
1）通過相頻曲線上的零相位點，在幅頻曲線上確定諧振峰之間的頻差Δf。對於完整樁，幅頻曲線上的各峰分布大致均勻、整齊，用Δf計算的樁身內應力波傳播的速度v′c接近於正常混凝土的波速vc。如果計算的樁身波速v′c小於正常值的下限，表明樁身混凝土質量較差。如果v′c大於正常值的上限，說明樁身中有明顯的異常存在，如果樁身出現斷裂，縮頸或擴頸，應力波在這些異常處的反射效應，使測得頻差增大。如果諧振峰很多，且有類似調制波的波形，即所謂大峰之間夾小峰時，通常，小峰之間的頻差反映樁底效應，由式v′c=2L×Δf計算的值接近正常值，大峰之間的頻差則反映樁身異常處的反射效應。
2）異常的位置。按公式L=×Δf計算，此時vc可選用已判明為完整樁的計算值，或取多根完整樁的平均值，取屬於異常效應的頻差。
總之，判別樁基質量的好壞要綜合利用導納譜的特徵，樁基內波的傳播速度，諧振峰之間的頻差，樁基的動抗壓剛度和特徵導納值等因素進行分析，有可能對樁的砼質量、斷樁、縮頸或擴頸位置及大小作出判斷，可以計算樁的承載力。
3.超聲波檢測法
（1）原理與適用條件
混凝土亦名砼，國內外有關砼聲學特徵的研究成果為工程界利用超聲波檢測灌注樁的質量展示了良好的前景。首先是利用砼的聲參數在樁中的分布，推斷異常的位置和幾何形態等。另外，在一定的條件下，還可以建立砼的縱波速度vP與其單軸抗壓強度Pz之間的關系曲線。但是，砼的不同齡期、不同水灰比、鋼筋配比、骨料的品種、粒徑等因素都能對聲速產生不同程度的影響。有時，砼的強度一樣，由於骨料的品種不同、用量不同、粒徑不同造成縱波速度也不同。特別是不同工區之間原料和工藝上的差異，很難給出統一的vP—Pz關系曲線。比較穩妥的辦法是與靜載荷壓樁試驗結合起來進行，通過對少數樁基的聲波探測和力學試驗，求得vP—Pz關系曲線，以此來作為該工區聲波法測砼的依據。這里主要介紹利用實測樁中聲參數的分布來解析異常位置和幾何形態的方法。
（2）設備與檢測方法
設備包括發射探頭、接收探頭和聲波測量儀。對探頭的要求是：發射功率較大，接收靈敏度較高，指向角合適，有較寬的頻帶，諧振頻率為20～50kHz。其中，發射探頭的機械品質因數要高，以便獲得較高的發射效率和較高的信噪比；接收探頭的機械品質因素則希望低一些，這樣在換能過程中不致引起波形嚴重畸變，並且有較寬的接收頻帶。使用攜帶型計算機可直接進行記錄、計算和判斷異常，檢測方法如下。
1）在灌注混凝土之前，隨鋼筋籠下二至四根鍍鋅鐵導管（砼樁直徑小於800mm時，下二根；大於800mm時，下三根或四根）。分別固定在鋼筋骨架上，位置如圖2-4-16所示，上圖為俯視圖。要求樁體內的兩根鐵導管必須平行，距離誤差小於5%。導管的底部封死，接頭處內壁保持光滑，上部用木塞封住，防止導管內掉入雜物。
2）檢測時，通常是使用岩石聲波參數測定儀，按單發雙收的工作方式測砼樁的聲參數，即在一根導管內下一個發射探頭，在另一根導管內下一對接收探頭，管中注滿水作耦合介質。整個檢測的方框圖如圖2-4-17所示。全面粗測是將待測樁先按較稀的點距H，例如50～80cm，整體測一遍。主要使用參數為聲速和首波振幅，檢測過程中應注意等振幅讀聲波走時t，等增益讀首波振幅。在異常附近細測時，點距可減小到10～15cm。
（3）數據處理與解釋方法
a.異常的判斷標准
制定異常的判斷標準是聲波檢測法的重要一環，通常有兩種做法。一是根據實測資料（包括砼小樣的資料）制定判斷異常的標准；二是根據概率統計原理制定判斷異常的標准。後一種做法比較科學，但在工程實踐中發現，如不剔除或少剔除可疑數據都會漏掉異常點。劉渝等人提出的一種做法是在處理數據時，先統計數據的頻率分布，然後參考已有的聲波資料，剔除不合理的數據，人為地使參加統計的數據為正態分布，並依據概率統計的原理制定劃分異常界限的臨界值，低於此值的數據即為「異常」，可判斷該處內部有缺陷。
圖2-4-16 砼樁檢測示意圖
圖2-4-17 砼樁檢測方框圖
為防止兩根預埋管之間的距離變化引起假異常，引入距離判據，其表達式為
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圖2-4-18為判斷異常的電算程序框圖。框圖中的N為測點數，P為某點聲速出現的概率，若N·P＜1，則說明這個測點的聲速（通常為低速）在正常情況下不應出現，其聲波傳播路徑上可能有缺陷。參數Ka由單點聲速vpi、所有測點聲速平均值以及速度均方差σ等參數求出，也可由概率P查正態分布概率表求出。
b.缺陷的詳查方法
在檢測現場，用計算機處理數據，劃分出異常帶（或點）之後，可在包括異常帶的一定深度內加密點距細測，使用方法主要有交會法和視速度——代數重構法。
交會法是將置於測量導管中的發射和接收換能器以較小的點距，如10～20cm，按「水平同步」方式及「斜同步」方式依次對異常帶測量。處理資料時，將每條射線的聲速平均值（射線行程除以首波到時）或者波振幅比標注在聲波射線圖上，如圖2-4-19所示，用來評價缺陷的性質和存在的大致范圍。
由該圖可以看出，在標高為-5.2m附近，有一低速異常，因為穿過這一區間的三條射線速度（3.67，3.4，3.83）均較低，該處縱波速度vP，應取三條射線速度的算術平均值3.6（km／s）。這種作圖交會法簡單直觀，但卻有一定的局限性，因為這些射線在樁內並不都是近似直線傳播的，有時也會由於繞射、折射干擾而造成較大的解釋誤差。
關於視速度———代數重構法，其實就是層析成像技術中的透射層析方法，最早源於醫學中的 X射線層析成像技術。這里給出兩個圖示計算結果。圖2-4-20 的①是為使用代數重構法而將聲波透視空間離散化，圖中分成十八個網格，虛線表示聲波射線的路徑；②測定對象是一根直徑為400 mm，長5 m且在3.2 m深度上充填有爐灰渣的砼樁，圖中所示為對2.8 m至3.8 m一段用視速度———代數重構法細測的解釋成果。由圖中的等值線很容易看出爐灰渣的含量及分布情況；③是另一砼樁的視速度———代數重構法細測的解釋結果。在-2.4 m處有一水平層狀異常，應推斷為斷柱（已知是爐灰渣）。
圖2-4-18 電算程序框圖
圖2-4-19 聲波射線圖
圖2-4-20 透射層析方法示意圖
c.基樁質量的總體評價
評價混凝土灌注樁質量和力學性質的參數有：縱波平均速度v-P、動彈性模量Ed、准抗壓強度Pm以及聲速vpi的離散系數和出現頻率等。表2-4-2 為劉渝等根據工程實踐，參考技術文獻及規范要求，提出的混凝土質量等級的聲參量指標，可供參考。
使用岩石聲波參數測定儀器在現場只能取得縱波速度、首波幅值和聲波信號波形。
計算動彈性模量還需要橫波速度和密度等參數，這兩個參數可通過對砼小樣的測試取得。准抗壓強度Pm可以用下述兩種方法來求取，一是根據縱波速度在vP-Pz曲線上找對應的Pz值作為Pm；二是通過公式（2.4.15）計算：
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式中：K為調整系統，根據基樁有無缺陷，缺陷的性質及大小、數據的觀測質量等因素確定；vPr為砼小樣的縱波速度；Pr為砼小樣的單軸抗壓強度。
利用聲波檢測法的粗測、細測和砼小樣的測試參數，參考表2-4-3的標准，可對混凝土基樁質量作出總體評價。
表2-4-2 混凝土質量等級的聲參量指標
表2-4-3