A. 桩基动态无损检测法
随着高层建筑、大型工程的蓬勃兴起，在地基工程中，桩基础被广泛地使用。桩基具有防震、抗震、承载力高、沉降量小且均匀等特点。由于桩基是建筑物的持力基础，桩基的质量对建筑物的稳定性影响很大，在混凝土灌注施工过程中，常常会造成部分桩出现断裂、缩颈、扩颈、混凝土离析和蜂窝等现象，如不及时发现和处理将是建筑物的长期隐患。
传统检测桩基完整是采用钻探取心法测定桩基承载力，采用静载荷压桩试验。这些方法虽直观，但均存在设备笨重、成本高、工期长、检测数量少、随机性大等缺陷。而且，1%的验桩率远远不能评价全部桩基质量。
动态无损检测法具有省时、省力、经济、简便、无损、可靠等优点。
一、桩的动测技术的发展与应用近况
1.桩的动测技术在国外的发展和应用
近十年来，国外在桩动测技术方面有两件事值得我们关注：一是对国外广泛应用的波动方程法测桩的承载力进行了考核；二是国外出现了另一种新的动测桩承载力的方法，叫做静动法，并且很快得到了认可和应用。
1992年在荷兰海牙召开的第四届国际应力波理论在桩基中应用的会议期间，对国外广泛应用测桩承载力的波动方程法进行了考试，共有国际上有名的10家单位参加。试桩长为11.5m，截面为0.25 m×0.25 m，参加测试单位绝大多数都采用CAPWAP的程序和PDA仪器，但是测试结果很不理想，除了一家的结果（图2-4-1曲线B）与静载试验结果（图2-4-1曲线A）较接近外，其他结果均与静载试验结果相差甚远，其中最低破坏荷载为90kN，最高为510kN，而静载试验的破坏荷载为340kN。
由此可见，即使采用相同的仪器、相同的程序、相同的方法，由于测试人员的素质和经验不同，也会得到不同的承载力结果，这是值得我们引以为戒的。
为了搞清CAPWAP法和PDA仪器的实际应用效果，美国联邦高速公路管理局（FHWA）委托麻省理工学院的佩柯斯基（S.G.Paikowsky）教授进行调查，后者搜集了206根桩的动静对比试验，结果如图2-4-2所示。该图的横坐标为贯入1英寸所需的锤击数；纵坐标表示静荷载试验结果与用CAPWAP实测结果之比值。由图示结果来看，多数情况下CAPWAP所提供的桩承载力比静载的结果要小，但也有偏大的情况。在分析桩打入性能和桩承载力时，国外采用的软件有多种，但较为广泛应用的除CAPWAP程序外，还有WEAP程序和TNOWAVE程序等，但其存在的问题大致与CAPWAP程序相同。
图2-4-1 测桩承载力对比结果图
图2-4-2 动静对比试验结果图
2.桩的动测技术在国内的发展和应用
桩的动测技术在我国的推广和应用，经历了一段不平凡而且颇有特色的道路。1989年第一次在北京召开的“全国桩基动测学术交流会”，开始将桩的动测技术推广应用于工程实践。1995年10月正式颁布了我国行业标准《基桩低应变动力检测规程》（JGJ／T93-95），使我国小应变动测法进入了实用推广阶段，我国的“基桩高应变动力检测规程”（JGJ106-97）也于1997年正式颁布。总之，动力测桩的技术在我国的工程建设中已经得到愈来愈广泛的应用。
由于动测技术的发展，许多有关桩动测的学术争议也随之消失。例如，用小应变激振方法能否测定桩的完整性的问题，随着大量的工程实践已经得到了解决。目前，全国几乎所有动测桩单位均采用小应变激振方法来检验桩的完整性。至于用小应变激振方法来检测桩的承载力问题，虽然有些人尚不能接受，但全国已有90多家单位通过了国家建筑工程质量监督检验中心组织的考试，获得了建设部颁发的资质证书，允许在桩基工程中应用。尽管有些单位在掌握和应用这些新技术方面还不尽人意，但至少说明了这些技术所具有的优越性和强大的生命力。
此外，我国许多学者和研究人员近年来在桩的动测方面也进行了大量研究开发工作，有些单位还研制了新的仪器和设备，已经在桩基工程中得到应用的几种动测方法，现在也在进一步改进中。
尽管我国在动测桩的应用和研究开发方面取得了很大的成绩，并且在某些方面结合我国国情还有所创新，但也要看到我们在实践中还存在着许多问题，它们是：①有些方法实施效果不尽人意，需要改进；②某些测试仪器质量不高，不能满足测试要求；③有的测试单位因经济利益驱动，接受了某种动测方法本应限制使用的测试任务；④测试人员缺乏应有的经验或素质不高，造成测试结果不佳或误判。总之，我们应清醒地看到，桩的动测新技术还将不断地发展，各种动测方法必须以传统的静载试验作为依托，而不是相互排斥。
二、桩基的类型
目前，我国采用的桩基主要有沉管灌注桩、钻孔灌注桩、钻扩灌注桩、冲孔灌注桩、挖孔灌注桩、爆扩灌注桩、钢筋混凝土预制桩、钢桩、旋喷桩、振动碎石桩、振动挤密砂桩等类型。
桩基按受力分类可分为摩擦桩、端承桩、扩底墩型桩。摩擦桩以桩周土的摩擦力为主，桩尖支承力为辅。端承桩的桩底坐落在坚硬的基岩上，它以桩底基岩的反向支承力为主，以桩周摩擦力为辅。扩底墩型桩要求扩大桩底部的接触面积提高支承力。
三、桩基无损检测方法
以应力波理论为基础的检测桩基质量的瞬态动测法和稳态振动法使用得最广泛。
1.瞬态动测法（锤击法）
嵌入土中的桩基，相当于一个在阻尼介质中上端自由与下端弹性连接的弹性杆，如图2-4-3。在桩基顶端应用锤击的办法施加一脉冲激振力f（t），桩将产生纵向振动而产生应力波。波沿桩身传播至桩底部分能量反射回桩顶。若激振力足够大，桩和桩周围一定范围内的土将作为一个体系产生自由振动。通过仪器接收这些波，可对桩基质量作出判断，并推算出单桩承载力。
图2-4-3 一维弹性杆模型
（1）反射波法
a.基本原理及波形特征
反射波法的现场测试工作如图2-4-4所示。利用小手锤在桩头施加一冲击力f（t）被激发应力波在桩身内传播，当遇到波阻抗界面时，将产生反射波，如图2-4-5所示。
其反射系数为
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式中：A1、A2为桩身截面积；ρ1、ρ2为介质密度；v1、v2为波速；R表示反射波与入射波的振幅比。这里是以广义的波阻抗Aρv替代波阻抗ρv，它取决于波阻抗的差异和截面积的变化，反射波旅行时与平均速度及波阻抗界面的深度l有关。然后利用拾震器接收初始信号，桩身缺陷和桩底产生的反射波信号，通过仪器进行处理和分析，结合地质资料对桩的完整性和混凝土的质量作出评价。
b.桩基完整性的分析与判别
完整桩 完整桩一般指桩身混凝土胶结良好，均匀连续，抗压强度达到设计要求的桩，它只存在一个桩底波阻抗界面，由图2-4-6可以看出，A1ρ1v1＞A2ρ2v2，所以R＜0，根据入射波和反射波速度量的相位关系为同向，体现在U（t）曲线上信号为同向叠加，如图2-4-7所示其波形特征为一衰减振动曲线，衰减快，桩底反射波明显，分辨率高。由图分析可得一次反射波旅行时为t，桩长为l，则平均速度为
图2-4-4 小扰动应变力波反射法示意图
图2-4-5 应变波的反射与透射
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t可以从时程曲线上读得，若知vc或l中任一个，便可求解。若二者均未知时，常利用统计的方法或其他实验的方法假定vc或根据施工记录来假定l，以求得近似解。
缺陷桩 当桩间存在缺陷，如断裂、夹层、空洞、缩颈或扩颈时，缺陷部位的应力波传播速度v、密度ρ或截面积A与桩身完好部位都有所不同，即存在波阻抗差异。当应力波遇到波阻抗差异界面时，将会产生反射。若根据这一反射时间计算整桩的波速，则其结果将大于完整桩时的波速。如图2-4-8 示，桩身在l1处断开，Z2相当于充气或充泥的波阻抗，反射系数，R＜0，曲线中主要反映了l1处多次反射波，而桩底反射不清。图2-4-9 表示在l1处桩产生扩颈，应力波在l1处反射系数R＞0，入射波和反射波为反向叠加，从时程曲线不难确定扩颈和桩底位置。
图2-4-6 桩身完好
图2-4-7 完好桩实测波形
图2-4-8
图2-4-9
根据桩弹性波速度评价桩的质量 众所周知，桩基的波速与桩身混凝土的密实程度有关。致密的桩身，其波的传播速度则大，松散的桩身，其波速则小。
对动测桩身质量分类评价，是根据不同工程和不同类型的桩基检测和静荷载资料对比，可从两个方向分类评价——桩身完整性和混凝土质量：①桩身完整性包括完好桩、微缩扩颈、严重缩颈、大面积离析、断桩等可以根据动测波型特征判断；②混凝土质量则可以根据动测桩的波速进行评价。对灌注桩采用下表2-4-1所列波速进行分类判别。
表2-4-1
（2）桩基承载力推算原理
摩擦桩承载力的计算原理
摩擦桩指桩置于松软地层。当用重锤竖向敲击桩周土或桩头而被激起振动后，将在垂向作自由振动，并通过桩侧摩擦力及桩尖作用力带动桩周部分土体参予振动，形成复杂的桩—土振动体系，其装置见图2-4-10所示。桩及桩侧参振的土体，可视作单质点振动体系，根据质量—弹簧—阻尼模式振动理论，可推导出桩基的刚度计算式。再根据刚度与承载力之间的直接相关关系，可计算出桩基的承载力。
图2-4-10 频率法检测装置示意图
图2-4-11 桩—土体系示意图
计算单桩抗压刚度 在桩—土体系振动的曲线上求出振动周期 Tz，计算出自振频率fz，如图2-4-11所示。根据单自由度的质量—弹簧体系，其质量和刚度同频率关系：ω，单桩抗压刚度为
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式中：λ是动力修正系数，可取λ=2.365；g是重力加速度为9.81（m/s2）。
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式中：（梨形土体扩散半径）；A———桩的横截面积（m2）；L0———桩的全长（m）；L———桩的入土深度（m）；r1———桩的砼容重（kN/m3）；r2及φ———分别为桩的下段范围内，土的容重（kN/m3）及内摩擦角。
计算单桩临界荷载 临界荷载指与按静荷载试验测定的P—S曲线上与拐点对应的荷载。根据动静对比关系，可得临界荷载：
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式中μ为静载与动测之间的比例系数。它是选取不同地质条件下各种类型的桩基，进行动静对比试验，通过数理统计分析求得的回归系数。
计算单桩允许承载力（Pa）对粗长桩，特别是当桩尖以下土质远较桩侧土强时，则
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对中小桩，特别是当桩尖以下土质较桩侧土弱时，则
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式中k为安全系数，一般取2.0。
2.稳态振动法（机械阻抗法）
（1）方法原理
将桩视为一维弹性体，当其受纵向稳态振动时，给定不同的边界条件，既可求得桩的动力反映，该反映包含了材料的有关信息。研究桩的动力反映曲线可判定桩的质量和桩基的承载力。
（2）测试系统
桩的稳态激振测试系统如图2-4-13所示。超低频信号发生器输出频率5Hz～1500Hz的自动扫描正弦信号给功率放大器，由它推动桩顶中心的电磁激振器向桩施加幅值不变的动态激振力（即：激振力在激振频率变化时，保持恒定，使桩产生稳态振动）。在桩顶和激振器之间有力传感器，它可知激振力的大小，桩顶拾振器接收桩的振动信号，经测振放大器与IBMPC/XT机相连，可进行计算并打印出成果图件。
图2-4-12 桩基的导纳反应曲线
（3）测量信息的利用及判别桩质量的依据如果使用一定能量在桩顶进行激振，其激振力为F（ω），则桩身内产生应力波，并沿桩身向下传播，在任何一个密度不均匀的界面上则有一部分能量反射回到桩顶，这时在桩顶用拾震器可直接测量到桩基系统的速度反应U（ω），则速度导纳为：
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它决定于桩基系统的质量，阻尼系数和桩基的抗压刚度。以频率f为横坐标，以速度导纳绝对值为纵坐标的导纳反应曲线，如图2 4 12 所示。桩—土体系不同，导纳反应曲线也有差别，速度导纳曲线是判别桩基质量的重要依据。
a.桩身砼的波速vc
由波动理论可知：
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式中：Δf是导纳曲线上两谐振峰之间的频率差；L为桩长。
应用时根据已知桩长L和测得的Δf计算vc，正常砼的波速vc=3300～4500m/s，若vc小于此范围，说明砼的质量较差。另外，也可利用Δf和正常vc值反算桩长Lm，质量好的桩L=Lm，若Lm＜L则反映了在深度处有质量问题。
图2-4-13 稳态激振测试系统
b.特征导纳
所谓特征导纳是指导纳频谱曲线上振幅的几何平均值，还可以求出特征导纳，利用实测的特征导纳与理论计算的特征导纳作比较，可判别桩基的质量。如果实测值接近理论计算值说明桩基的质量及完整性较好。
理论计算的特征导纳公式为
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式中：ρc是桩基质量密度；Ac为桩的截面积。
实测特征导纳表示为
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式中：ρmax和Qmin是速度导纳的最大值与最小值，由图2-4-13中读出。
若Nm≈N为正常桩，若Nm＞N，说明ρc或vc变小（存在局部混凝土松散）或Ac变小（局部有缩颈）。若Nm随频率增高而变小，表示桩径上大下小，也为缩颈桩。若Nm＜N，一般为扩颈桩。
c.动抗压刚度
当桩在低频（低于桩的固有频率）激振时，位移较小，桩的振动可视为刚体运动或平动，此时导纳曲线接近于直线，其斜率的倒数为桩的动抗压刚度，即
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式中|U/F|和fm为导纳曲线的低频直线段上任一点M的导纳值和频率。
动抗压刚度的意义及用处可归纳为：KD反映桩周土对桩柱的弹簧支承刚度，KD值的大小与桩的承载力有一定联系；KD值与静刚度KS建立统计关系，可以评价单桩承载力，并可估计在工作荷载下桩的弹性位移。
在实际工作中，通常不易获得理想的曲线，在测得的谐振峰中常掺杂一些假峰，为区别真假峰，尚须测定随频率变化的速度导纳相位变化曲线，即导纳谱相频曲线。相频曲线上的零相位点所对应的导纳谱幅频曲线上的波峰，即为有效的谐振峰。
（4）不同类型模型桩的导纳谱曲线特征
a.完整桩
幅频曲线的低频段与理论导纳谱曲线相近似，利用相频曲线的零相位点可准确地找出谐振峰，谐振幅间隔均匀、整齐，平均频差为1450Hz，按公式vc=2×L×Δf，算得波速4350m/s，属完整正常波速。如图2-4-14所示。
b.全断桩
图2-4-14 完整模型桩导纳谱曲线
图2-4-15是全断裂模型的导纳谱曲线，特点是反映全断面的谐振峰明显，在相频曲线上有对应的零相位点，这是因为应力波在桩身遇到全断面时，绝大部分能量被反射到桩顶，桩底反射效应不明显。根据所得频差可计算断裂位置。测得Δf=207.5Hz，算得桩身断裂深度I=8.6～9.6m，也与实际断裂位置9.0m吻合。
图2-4-15 断裂模型桩导纳谱曲线
（5）桩基完整性分析与判别
1）通过相频曲线上的零相位点，在幅频曲线上确定谐振峰之间的频差Δf。对于完整桩，幅频曲线上的各峰分布大致均匀、整齐，用Δf计算的桩身内应力波传播的速度v′c接近于正常混凝土的波速vc。如果计算的桩身波速v′c小于正常值的下限，表明桩身混凝土质量较差。如果v′c大于正常值的上限，说明桩身中有明显的异常存在，如果桩身出现断裂，缩颈或扩颈，应力波在这些异常处的反射效应，使测得频差增大。如果谐振峰很多，且有类似调制波的波形，即所谓大峰之间夹小峰时，通常，小峰之间的频差反映桩底效应，由式v′c=2L×Δf计算的值接近正常值，大峰之间的频差则反映桩身异常处的反射效应。
2）异常的位置。按公式L=×Δf计算，此时vc可选用已判明为完整桩的计算值，或取多根完整桩的平均值，取属于异常效应的频差。
总之，判别桩基质量的好坏要综合利用导纳谱的特征，桩基内波的传播速度，谐振峰之间的频差，桩基的动抗压刚度和特征导纳值等因素进行分析，有可能对桩的砼质量、断桩、缩颈或扩颈位置及大小作出判断，可以计算桩的承载力。
3.超声波检测法
（1）原理与适用条件
混凝土亦名砼，国内外有关砼声学特征的研究成果为工程界利用超声波检测灌注桩的质量展示了良好的前景。首先是利用砼的声参数在桩中的分布，推断异常的位置和几何形态等。另外，在一定的条件下，还可以建立砼的纵波速度vP与其单轴抗压强度Pz之间的关系曲线。但是，砼的不同龄期、不同水灰比、钢筋配比、骨料的品种、粒径等因素都能对声速产生不同程度的影响。有时，砼的强度一样，由于骨料的品种不同、用量不同、粒径不同造成纵波速度也不同。特别是不同工区之间原料和工艺上的差异，很难给出统一的vP—Pz关系曲线。比较稳妥的办法是与静载荷压桩试验结合起来进行，通过对少数桩基的声波探测和力学试验，求得vP—Pz关系曲线，以此来作为该工区声波法测砼的依据。这里主要介绍利用实测桩中声参数的分布来解析异常位置和几何形态的方法。
（2）设备与检测方法
设备包括发射探头、接收探头和声波测量仪。对探头的要求是：发射功率较大，接收灵敏度较高，指向角合适，有较宽的频带，谐振频率为20～50kHz。其中，发射探头的机械品质因数要高，以便获得较高的发射效率和较高的信噪比；接收探头的机械品质因素则希望低一些，这样在换能过程中不致引起波形严重畸变，并且有较宽的接收频带。使用便携式计算机可直接进行记录、计算和判断异常，检测方法如下。
1）在灌注混凝土之前，随钢筋笼下二至四根镀锌铁导管（砼桩直径小于800mm时，下二根；大于800mm时，下三根或四根）。分别固定在钢筋骨架上，位置如图2-4-16所示，上图为俯视图。要求桩体内的两根铁导管必须平行，距离误差小于5%。导管的底部封死，接头处内壁保持光滑，上部用木塞封住，防止导管内掉入杂物。
2）检测时，通常是使用岩石声波参数测定仪，按单发双收的工作方式测砼桩的声参数，即在一根导管内下一个发射探头，在另一根导管内下一对接收探头，管中注满水作耦合介质。整个检测的方框图如图2-4-17所示。全面粗测是将待测桩先按较稀的点距H，例如50～80cm，整体测一遍。主要使用参数为声速和首波振幅，检测过程中应注意等振幅读声波走时t，等增益读首波振幅。在异常附近细测时，点距可减小到10～15cm。
（3）数据处理与解释方法
a.异常的判断标准
制定异常的判断标准是声波检测法的重要一环，通常有两种做法。一是根据实测资料（包括砼小样的资料）制定判断异常的标准；二是根据概率统计原理制定判断异常的标准。后一种做法比较科学，但在工程实践中发现，如不剔除或少剔除可疑数据都会漏掉异常点。刘渝等人提出的一种做法是在处理数据时，先统计数据的频率分布，然后参考已有的声波资料，剔除不合理的数据，人为地使参加统计的数据为正态分布，并依据概率统计的原理制定划分异常界限的临界值，低于此值的数据即为“异常”，可判断该处内部有缺陷。
图2-4-16 砼桩检测示意图
图2-4-17 砼桩检测方框图
为防止两根预埋管之间的距离变化引起假异常，引入距离判据，其表达式为
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图2-4-18为判断异常的电算程序框图。框图中的N为测点数，P为某点声速出现的概率，若N·P＜1，则说明这个测点的声速（通常为低速）在正常情况下不应出现，其声波传播路径上可能有缺陷。参数Ka由单点声速vpi、所有测点声速平均值以及速度均方差σ等参数求出，也可由概率P查正态分布概率表求出。
b.缺陷的详查方法
在检测现场，用计算机处理数据，划分出异常带（或点）之后，可在包括异常带的一定深度内加密点距细测，使用方法主要有交会法和视速度——代数重构法。
交会法是将置于测量导管中的发射和接收换能器以较小的点距，如10～20cm，按“水平同步”方式及“斜同步”方式依次对异常带测量。处理资料时，将每条射线的声速平均值（射线行程除以首波到时）或者波振幅比标注在声波射线图上，如图2-4-19所示，用来评价缺陷的性质和存在的大致范围。
由该图可以看出，在标高为-5.2m附近，有一低速异常，因为穿过这一区间的三条射线速度（3.67，3.4，3.83）均较低，该处纵波速度vP，应取三条射线速度的算术平均值3.6（km／s）。这种作图交会法简单直观，但却有一定的局限性，因为这些射线在桩内并不都是近似直线传播的，有时也会由于绕射、折射干扰而造成较大的解释误差。
关于视速度———代数重构法，其实就是层析成像技术中的透射层析方法，最早源于医学中的 X射线层析成像技术。这里给出两个图示计算结果。图2-4-20 的①是为使用代数重构法而将声波透视空间离散化，图中分成十八个网格，虚线表示声波射线的路径；②测定对象是一根直径为400 mm，长5 m且在3.2 m深度上充填有炉灰渣的砼桩，图中所示为对2.8 m至3.8 m一段用视速度———代数重构法细测的解释成果。由图中的等值线很容易看出炉灰渣的含量及分布情况；③是另一砼桩的视速度———代数重构法细测的解释结果。在-2.4 m处有一水平层状异常，应推断为断柱（已知是炉灰渣）。
图2-4-18 电算程序框图
图2-4-19 声波射线图
图2-4-20 透射层析方法示意图
c.基桩质量的总体评价
评价混凝土灌注桩质量和力学性质的参数有：纵波平均速度v-P、动弹性模量Ed、准抗压强度Pm以及声速vpi的离散系数和出现频率等。表2-4-2 为刘渝等根据工程实践，参考技术文献及规范要求，提出的混凝土质量等级的声参量指标，可供参考。
使用岩石声波参数测定仪器在现场只能取得纵波速度、首波幅值和声波信号波形。
计算动弹性模量还需要横波速度和密度等参数，这两个参数可通过对砼小样的测试取得。准抗压强度Pm可以用下述两种方法来求取，一是根据纵波速度在vP-Pz曲线上找对应的Pz值作为Pm；二是通过公式（2.4.15）计算：
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式中：K为调整系统，根据基桩有无缺陷，缺陷的性质及大小、数据的观测质量等因素确定；vPr为砼小样的纵波速度；Pr为砼小样的单轴抗压强度。
利用声波检测法的粗测、细测和砼小样的测试参数，参考表2-4-3的标准，可对混凝土基桩质量作出总体评价。
表2-4-2 混凝土质量等级的声参量指标
表2-4-3