PIT 对公路桥梁桩基缺陷的判断与评价
[12-11 17:01:08] 来源：http://www.tmgc8.com 试验检测 阅读：3287次
摘要 本文根据PIT的工作原理，结合我国公路现场桩基检测的工程实践，对桩身中应力波的传播、波速和桩长的计算，测试结果的分析与处理进行了探讨。在此基础上，对PIT反射波法进行桩身结构完整性测试的波形判读中的有关问题进行了讨论，以供桩基检测技术人员参考。
关键词 桩基 PIT反射波法 波速
Diagnosis and Appraisement of Pile Foundation Defect in Highway Bridge with PIT
Feng Juzhong
(Rock and Soil Engineering Institute of Xian Highway Communicat ions University)
Abstract Based on the working principle of PIT and it combines with project practice for pile foundation test ofChinese highway，this paper discusses the propagation and velocity of strees wave in the pile，the count of the pile lengththe analysis and handling of text results.The author also discusses the relevant problems in the wave form interpretation of the pile construction integrity is tested by the back wave method of PIT.This is for the technician of pile foundationtest reference.
Key words Pile foundation Back wave method of PIT Wave velocity
PIT是美国PDI公司制造的桩完整性检测仪(Pile Integrity Tester的缩写)，它代表了低应变检测桩基完整性技术的国际先进水平，和其它小应变仪器相比较，主要有以下特点：①体积小，重量轻，直流电工作，使用简便灵活，适合各种施工现场条件的桩基质量测试；②高分辨率触模式显示屏幕和键盘，采用人机对话的方式，使测试分析简明直观，操作容易；③使用宽频低噪音的滤波放大技术，整个信号传输系统稳定性较好，加上信号平均增强和时变放大技术，可获得高信噪比的数据采集结果；④16位A／D转换和浮点放大技术，具有很宽的动态变化捕捉信号变化范围和高精度的数字化结果；⑤配置结构合理、激振脉冲宽度适当，可随意得到较理想的瞬态激振力，测试结果的重复性较易保证。⑥密封性好，可保证在±40℃和潮湿天气情况下正常工作，是野外检测工作中性能可靠、抗干扰能力强的仪器。
目前，PIT检测技术在我国公路桥梁的桩基检测中得到较为普遍的应用，但工程中经常出现对桩基检测结果的误判，致使工程技术人员对该种检测方法的可靠性提出质疑。为此，本文将根据PIT的工作原理，结合现场检测的实践与经验，对应力波的传播，波速和桩基的计算，测试结果的处理与分析进行了探讨，并对波形判读中的有关问题进行了分析，供实际工程中桩基质量检测人员参考。
1 PIT的测读与判读缺陷的基本依据
PIT测试分析方法是采用反射波法，即利用手锤在桩头施加一较小冲击激振力，激发一应力波沿桩身向下传播，然后利用速度或加速度传感器接收由桩身缺陷或桩底产生的反射信号，根据对反射波时程曲线的综合分析，作出对桩身结构完整性的判断和评价。
反射波法是将单桩视为一维匀质弹性体构件，当桩顶受到一较小的激振力后，产生的弹性应变以纵波形式沿桩身向下传递。由于桩顶施加的是一个激振力，土体振动的影响可以忽略不计。应力波沿桩身传播的规律遵循一维波动方程，根据一维波动方程分析导出的反射波相位特征，是反射波法测试的主要依据。这一特征可以非常通俗地描述为：在桩扩径部位，反射波波形相位同初始相位相反；在桩缩径或离析等缺陷部位，则反射波相位同初始相位相同。这两点是判断缺陷的基本依据。 2 桩身中应力波的传播特征
桩头受到瞬态脉冲力作用时，则桩身中产生压缩应力，使桩质点产生运动(记为压缩应力F和质点运动速度V)，应力波在桩身中的传播规律近似满足一维波动方程，应力波在桩中的传播速度C与混凝土弹性模量E和密度ρ有关，即
C＝(E／ρ)1／2
一般来说，混凝土中的波速为3000～4300m／s。
应力波传播原理如图1所示，值得注意的是，桩身截面的变化和土阻力的作用均产生反射波。一般情况下，缩颈和桩底处会产生拉伸反射波，而扩颈和土阻力的作用处会产生压缩反射波，使得桩头接收到的速度曲线特征有所不同。
3 波速和桩长的计算
由于反射信号的到时与产生反射的位置有关，在求得输入脉冲与反射脉冲的时间差后，在一定条件下可求得波速和桩长(或缺陷位置)。
(1)假设已知确切的桩长，如果桩底反射波明显，则可由反射波的到达时间计算波速：
C＝2L／△T
(2)如果桩长不是已知的，为了求缺陷位置或实际桩长，可假设波速为3500～4000m／s(对锤击，灌注桩取值应更小些)，由反射波的到达时间计算反射位置，即：
L＝△T·C／2
4 测试结果的处理与分析
分析处理后的速度信号，首先是找出“桩底反射”信号，如果桩底反射信号不明显(如图2所示)，则可用信号放大器对原信号进行放大处理，这种放大方法是以激励脉冲做归一化后，对2L／C的时间段内按时间作指数放大，直到在2L／C附近找到最大的拉应力为止(如图4所示)。图3是对图2曲线作40倍放大后得到的结果。显然，放大后桩底反射特征直观易辨。对更长的桩或土阻力作用很大的桩，其放大倍数还应大些，但对过高的放大处理要求模拟调制信号和数字化信号具有较高的信噪比，否则放大的应用意义不大。
图3是PIT的标准输出结果，它包括相应的加速度曲线，也注明锤击平均次数、假设波速和波长等。
图3中平滑的速度曲线形态和明显的桩底反射特征，表明了该桩是完好的。一般来说，如果速度曲线存在明显的甚至是复杂的变化特征，这可能是桩身截面变化，或是混凝土强度变化，或是土阻力作用，或是三者综合作用的客观反映。总的来说，波阻抗的变化或土阻力作用的变化均会产生反射波。
定义桩的波阻抗为
Z＝EA／C＝A·(Eρ)1／2
式中：A是桩的横截面积。
可见，波阻抗Z的减少，或是混凝土弹性模量E的减小，或是密度ρ的减小，由于E和ρ都与混凝土强度有关，故可认为阻抗的变化取决于横截面积和混凝土质量的变化。一般来说，突变的反射信号与桩身阻抗变化有关，而渐变范围较大的反射信号与土阻力作用有关。
为了分辨阻抗变化和土阻力作用，可将同一场地、同一桩型被测桩的结果进行综合比较分析，也可利用PIT配置的有关软件进行拟合处理和频域分析处理等，当然要完全解决土阻力的影响问题是较为困难的。
5 波形判读的讨论
根据反射波法的测试原理和波形形态，判断桩的缺陷类型一般并不十分困难，但对于一些特殊问题和特别的曲线形态则需要进行综合分析，着重考虑以下几个方面。
5.1桩的缺陷程度的定性描述
对桩身缺陷程度进行定量描述，是大多工程技术人员所希望的，但就目前的检测水平而言却难于实现，虽然已有这方面的低应变分析软件，结果似乎无法令人满意。因此，目前关于桩的缺陷程度的判断，基本上仍是定性的，工程中把缺陷程度划分为轻度、中度和严重三个级别。判断的标准是根据缺陷部位反射信号的强弱和下部缺陷或桩底反射信号的强弱情况进行综合判断，一般认为轻度和中度缺陷桩的桩底信号应是清晰可见的。而严重缺陷桩则难于观察到桩底信号。上述的图4、图5是中、轻度缺陷桩，对于一般摩擦桩，这类缺陷一般不影响桩体的使用，如果是端承桩则应慎重对待，严重缺陷，尤其是不利缺陷，有时同断桩信号相同，当缺陷发生在浅部位时，信号出现的重复反射现象是这类缺陷通常的特征(如图6所示)。因此，对波形判读时，鉴别出有无重复反射发生是很重要的。
5.2短桩的判断