1、Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言桩基础是各类建设工程常用的深基础。由于基桩工程施工受到地质条件、打桩工艺、施工单位质控措施等多种因素影响，桩基工程质量有时不稳定，基桩桩身完整性不理想，或者存在各类质量问题。这种情况在钻孔灌注桩中尤其突出。国内外统计资料显示，钻孔灌注桩施工中，桩身出现质量问题的比例最高，发生缺陷概率可达1520。若工程桩桩身存在严重缺陷，对建筑物上部结构安全会带来严重威胁。根据对抗压桩受力状态的分析，桩身上部直接承受上部荷载后压缩量占比更大，基桩浅部缺陷对建筑物的安全影响更突出，因此，准确检测出桩基工程中桩身浅部缺陷对保证工程安全十
2、分重要。通常，把距离基桩桩顶2D3D（D为桩径）范围内的缺陷称为浅部缺陷。检测基桩浅部缺陷最常用的方法是低应变法（也称反射波法）。目前，多数检测仪器配套的传感器为加速度传感器，如何采用速度传感器有效准确检测桩身浅部缺陷，是目前动测技术人员需要不断进行研究的课题。多数检测机构习惯于使用加速度传感器来采集波形，认为使用速度传感器进行动测不能采集到理想测试波形，也有部分测桩工作者武断地认为采用速度传感器根本无法检测出基桩的浅部质量问题，这在一定程度上影响了速度传感器在基桩检测工作中的应用与发展。那么，检测基桩的浅部缺陷能否采用速度传感器，如何保证其检测质量，是从事基桩检测的人员需要研究和回答的。笔者
3、基于速度传感器的工作原理、现场测试技术、检测实践经验进行分析研究，并多次对存在浅部缺陷的基桩进行开挖验证总结后，认为基于速度传感器的低应变检测效果不亚于用加速度传感器的效果。2速度传感器的原理及其频响特征速度传感器也称为地震检波器、拾震器或者速度计，工作原理简单地说就是电磁感应原理，其结构一般都是动圈结构。速度计利用惯性式测量方式。工作时，速度计外壳固定于测量【作者简介】赵月（1988），女，山西晋中人，工程师，从事地基基础检测研究。基于速度传感器的低应变法检测基桩浅部缺陷曲线特征分析Analysis of Shallow Defect Curve Characteristics of Fou
4、ndation PileDetected by Low Strain Method Based on Velocity Sensor赵月（山西科汇工程质量检测有限公司，太原 030013）ZHAO Yue(Shanxi Kehui Engineering Quality Inspection Co.Ltd.,Taiyuan 030013,China)【摘要】在基桩低应变法动力测桩中，能否采用速度传感器对桩身浅部缺陷进行有效检测，尚有一定争议。基于此，论文对速度传感器的频响特性进行研究分析，并结合多项工程的检测实践，论述了在正确选用速度传感器、合理选择检测工作方法的条件下，用速度传感器检测基桩的
5、浅部缺陷，完全可以取得很好的检测效果。【Abstract】It is still controversial whether the velocity sensor can be used to detect the shallow defects of pile body effectively in lowstrain dynamic test pile.Based on this,this paper studies and analyzes the frequency response characteristics of speed sensor,and combinedwith t
6、he testing practice of many projects,discusses that the shallow defects of foundation piles can be detected by using speed sensorsunder the condition of correct selection of speed sensors and reasonable selection of testing methods.【关键词】速度传感器；低应变法；基桩浅部缺陷【Keywords】velocity sensor;low strain method;sh
7、allow defect of foundation pile【中图分类号】TU473.1+6【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0050-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.01550对象上，当振动信号传播到传感器中，作为惯性体的线圈与外壳产生相对运动，线圈运动就会产生电磁感应信号，电信号送到仪器中进行放大，存储记录。2.1工作原理速度传感器的测量工作原理示意图如图1所示，接收振动信号部分属于单自由度振动系统，系统由惯性质量块（质量为m）、弹簧（刚度为k）和阻尼器（阻力系数为c）组成。ycxkm图 1速度传感器测量原理示意图传感器
8、安装后，外壳被固定在被测物体上。设惯性质量块相对外壳的位移是x，安装在被测对象上传感器外壳相对惯性空间的位移为y，则质量块相对惯性空间的总位移为x+y1。由牛顿第二定律得到质量块的运动的微分方程：x?+cmx?+kmx=-y?（1）式（1）是一个以位移为变量的运动方程，可以转换成式（2）：x?+2h0 x?+02x=-y?（2）式中，0=km为速度计固有频率；h为阻尼比。我们知道，对速度传感器性能起重要作用，即影响速度传感器频率范围的两个重要参数分别是阻尼系数和阻尼比，阻尼系数和阻尼比的计算公式分别见式（3）和式（4）。=c2m（3）h=c2km（4）式中，为阻尼系数。2.2频率响应速度传感器
9、工作时，被测正弦信号振动输入可以用复数形式描述如下：y=Yejt（5）式中，Y?为输入振动速度量，m/s；t为时间，s；为圆频率。经传感器接收后，输出的相对振动的稳态响应描述为：x=Xejt（6）式中，X为输出振动速度量，m/s。代入微分方程（2）中，可计算出速度传感器的输出信号相对于输入信号的复数振幅比，计算如式（7）：X?Y?=202-2+j2h0=De-j（7）式中，为相位角，rad；D是输出对输入的幅值比，即传感器的幅频特性，计算如式（8）：D=（/0）21-（/0）22+4h2（/0）2（8）式（7）中反映了输出对输入的相位滞后，即传感器的相频特性，计算如式（9）：=tg-12h（/
10、0）2（/0）2（0）（9）可见，影响速度计的幅频特性和相频特性的两个重要指标分别是固有频率0和阻尼比h。速度传感器由于材料、制造工艺的不同，其频率响应曲线有所差异。恰当选取合适固有频率和阻尼比的速度传感器是测出理想动测信号的基础。上述理论推导还表明，选用速度计的固有频率一定要低于被测基桩振动信号基频。建议选用固有频率1035 Hz的速度传感器。理论研究还表明，用低应变反射波法检测基桩的浅部缺陷，如要想取得满意的检测效果，除了要有较丰富的检测经验外，还要求测试用的传感器具有良好的高频响应性能。高频端频率响应一定要为平稳的线形，无变形，无谐振峰出现。其高端频率响应越高越好，如果速度传感器的高频端
11、响应不小于3 kHz，则可满足检测深度小于1.5 m浅处缺陷的需要2-3。3基桩浅部缺陷的低应变法波形特征分析用一维弹性杆件波动传播理论，对多个检测工程的波形特征研究、分析和总结，认为基于速度传感器低应变法检测基桩浅部缺陷时，低应变动测曲线具有下列几种典型特征：（1）“大波浪”形（频率很低）曲线；（2）双峰形曲线；（3）多次反射形曲线（高频复现）；（4）混合形曲线（大波浪形上叠加多次反射）。图2是某工程浅部有缺陷基桩动测时域波形的4种典型曲线，该项目为CFG桩，设计桩长16 m，完整桩桩身波速在33003600m/s。各桩的缺陷位置和缺陷性质都经过现场开挖验证，低应变法检测基桩浅部缺陷的曲线波
12、形演变过程分析如下。1）如果缺陷深度很小（通常小于0.5 m），或锤击频率较低时，采集到时域曲线上有很明显低频的“大波浪式”的振动信号，曲线特征见图2a，时域的波形振幅值较大，对于放大倍数过大，往往出现波形削波的情形。2）如果缺陷较浅，且桩为全部断开，通常表现为双峰式反Engineering Design of the Ground基础工程设计51Construction&DesignForProject工程建设与设计射曲线特征，即缺陷反射与桩头直达波振幅接近，个别情况甚至超过直达波振幅，形成双峰形态曲线，如图2b所示。3）如果基桩浅部缺陷深度有所增加，尤其检测时锤击信号频率继续提高，测得的基
13、桩缺陷反射信号特征类似于高频振荡，实际上是缺陷处的多次反射，特征见图2c。4）如果基桩缺陷深度适中，但检测时激振信号的频率很高，动测曲线以低频大幅度振动信号为基础波形，但在其上面叠加了浅部缺陷的多次反射信号，即在大波浪曲线上叠加一系列锯齿状高频多次反射，典型的动测曲线波形特征见图2d。a大波浪形曲线b双峰形曲线c多次反射形曲线d混合形曲线图 2浅部缺陷基桩时域波形的典型曲线4基于速度传感器检测基桩浅部缺陷中的关键要点对速度传感器的工作原理、现场测试技术、检测实践经验进行深入分析研究，并多次对存在浅部缺陷的桩完成开挖验证后，认为基于速度传感器低应变法检测基桩的浅部缺陷，要想取得理想的测试效果，必
14、须把控好下列关键问题和相关检测环节。1）选用的速度传感器要具有优良性能。检测基桩缺陷时，尤其是检测桩身浅部缺陷时，速度传感器的分辨力，除了与速度传感器灵敏度、阻尼比有关外，影响最大的是其高频响应性能。经验表明，要选取固有频率1035Hz、阻尼比在0.7070.900、频率响应高端达到2 kHz以上的高性能速度传感器。2）提高锤击信号频率。当锤击桩头信号波长较大、频率较低（波形脉冲较宽）时，浅部缺陷反射信号常常被直达首波信号淹没掉，导致无法分辨出基桩浅部缺陷。对此，可通过选用刚度更大的锤头、采用体积更小的手锤、选取硬度大的点位进行锤击等方法来提高激发波形的频率。3）尽量减少锤击能量。采用很小的手
15、锤（或用改锥头）轻轻敲击，激发信号频率会提高，还能避免桩-土体系产生共振，这对提高基桩低应变测试曲线的分辨率有利。4）仪器的采样间隔要尽可能小。为了准确确定浅部缺陷深度，现场测试时不要使用采集软件自动设置采样间隔，可采用人工设置参数，以减小仪器采样间隔，提高计算缺陷深度的准确度。仪器的采样间隔一般选取515 s较为合适。5结语部分测桩工作者之所以认为采用速度传感器进行检测，采集的测试波形质量不好、无法检测出基桩的浅部缺陷，主要原因是部分检测人员误认为没有使用高频性能优良的速度传感器。笔者通过在多项工程中使用速度传感器检测出的缺陷都已开挖验证。经研究总结后认为，质量优良的速度传感器，其频率响应曲线的高频端可以达到3 kHz以上，其频率响应范围完全可以满足检测基桩浅部缺陷的需要。因此，基于速度传感器的低应变法检测基桩浅部缺陷的能力不亚于加速度传感器。【参考文献】1纽伯特.仪器传感器性能和设计入门M.中国计量科学研究院力学处，清华大学精密仪器教研组,译.北京：科学出版社,1985.2中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基桩检测技术规范:JGJ1062014M.北京:中国建筑工业出版社,2014.3王雪峰,吴世明.不同传感器在桩基完整性检测中的应用J.工程勘察,2000(4):36-37,46.【收稿日期】2022-08-1052
