低应变解释

8 低应变法
8.1 适用范围
8.1.1 目前国内外普遍采用瞬态冲击方式，通过实测桩顶加速度或速度响应时域曲线，
籍一维波动理论分析来判定基桩的桩身完整性，这种方法称之为反射波法（或瞬态时域
分析法）。据建设部所发工程桩动测单位资质证书的数量统计，绝大多数的单位采用上
述方法，所用动测仪器一般都具有傅立叶变换功能，可通过速度幅频曲线辅助分析判定
桩身完整性，即所谓瞬态频域分析法；也有些动测仪器还具备实测锤击力并对其进行傅
立叶变换的功能，进而得到导纳曲线，这称之为瞬态机械阻抗法。当然，采用稳态激振
方式直接测得导纳曲线，则称之为稳态机械阻抗法。无论瞬态激振的时域分析还是瞬态
或稳态激振的频域分析，只是习惯上从波动理论或振动理论两个不同角度去分析，数学
上忽略截断和泄漏误差时，时域信号和频域信号可通过傅立叶变换建立对应关系。所以，
当桩的边界和初始条件相同时，时域和频域分析结果应殊途同归。综上所述，考虑到目
前国内外使用方法的普遍程度和可操作性，本规范将上述方法合并编写并统称为低应变
（动测）法。
低应变法的理论基础以一维线弹性杆件模型为依据。因此受检桩的长细比、瞬态激
励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于 5，设计桩身截面宜基本规则。
另外，一维理论要求应力波在桩身中传播时平截面假设成立，所以，对薄壁钢管桩和类
似于 H 型钢桩的异型桩，本方法不适用。
本方法对桩身缺陷程度只做定性判定，尽管利用实测曲线拟合法分析能给出定量的
结果，但由于桩的尺寸效应、测试系统的幅频相频响应，高频波的弥散、滤波等造成的
实测波形畸变，以及桩侧土阻尼、土阻力和桩身阻尼的耦合影响，曲线拟合法还不能达
到精确定量的程度。
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对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺
陷性质往往较难区分。例如，混凝土灌注桩出现的缩颈与局部松散、夹泥、空洞等，只
凭测试信号就很难区分。因此，对缺陷类型进行判定，应结合地质、施工情况综合分析，
或采取钻芯、声波透射等其他方法。
8.1.2 由于受桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化等因素的影响，
应力波从桩顶传至桩底再从桩底反射回桩顶的传播为一能量和幅值逐渐衰减过程。若桩
过长（或长径比较大）或桩身截面阻抗多变或变幅较大，往往应力波尚未反射
回桩顶甚至尚未传到桩底，其能量已完全衰减或提前反射，致使仪器测不到桩

底反射信
号，而无法评定整根桩的完整
性。在我国，若排除其他条件差异而只考虑各地区地质条
件差异时，桩的有效检测长度主要受桩土刚度比大小的制约。因各地提出的有效检测范
围变化很大，如长径比 30～50。桩长 30～50m 不等，故本条未规定有效检测长度的控制
范围。具体工程的有效检测桩长，应通过现场试验，依据能否识别桩底反射信号，确定
该方法是否适用。
对于最大有效检测深度小于实际桩长的超长桩检测，尽管测不到桩底反射信号，但
若有效检测长度范围内存在缺陷，则实测信号中必有缺陷反射信号。因此，低应变方法
仍可用于查明有效检测长度范围内是否存在缺陷。
8.2 仪器设备
8.2.1 低应变动力检测采用的测量响应传感器主要是压电式加速度传感器（国内多数厂
家生产的仪器尚能兼容磁电式速度传感器测试），根据其结构特点和动态性能，当压电
式传感器的可用上限频率在其安装谐振频率的 1/5 以下时，可保证较高的冲击测量精度，
且在此范围内，相位误差几乎可以忽略。所以应尽量选用自振频率较高的加速度传感器。
对于桩顶瞬态响应测量，习惯上是将加速度计的实测信号积分成速度曲线，并据此
进行判读。实践表明：除采用小锤硬碰硬敲击外，速度信号中的有效高频成分一般在 2O00
Hz 以内。但这并不等于说，加速度计的频响线性段达到 2000Hz 就足够了。这是因为，加
速度原始信号比积分后的速度波形中要包含更多和更尖的毛刺，高频尖峰毛刺的宽窄和
多寡决定了它们在频谱上占据的频带宽窄和能量大小。事实上，对加速度信号的积分相
当于低通滤波，这种滤波作用对尖峰毛刺特别明显。当加速度计的频响线性段较窄时，
就会造成信号失真。所以，在±10%幅频误差内，加速度计幅频线性段的高限不宜小于
5000Hz，同时也应避免在桩顶敲击处表面凹凸不平时用硬质材料锤（或不加锤垫）直
接敲击。
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高阻尼磁电式速度传感器固有频率接近 20Hz 时，幅频线性范围（误差± 10%时）约
在 20～1000Hz 内，若要拓宽使用频带，理论上可通过提高阻尼比来实现。但从传感器的
结构设计、制作以及可用性看却又难于做到。因此，若要提高高频测量上限，必须提高
固有频率，势必造成低频段幅频特性恶化，反之亦然。同时，速度传感器在接近固有频
率时使用，还存在因相位越迁引起的相频非线性问题。此外由于速度传感器的体积和质
量均较大，其安装谐振频率受安装条件影响很大，安装不良时会大幅下降并产生自身振
荡，虽然可通过低通滤波将自振信

号滤除，但在安装谐振频率附近的有用信息也将随之
滤除。综上述，高频窄脉
冲冲击响应测量不宜使用速度传感器。
8.2.2 瞬态激振操作应通过现场试验选择不同材质的锤头或锤垫，以获得低频宽脉冲或
高频窄脉冲。除大直径桩外，冲击脉冲中的有效高频分量可选择不超过 2000Hz（钟形力
脉冲宽度为 1ms，对应的高频截止分量约为 2000Hz）。目前激振设备普遍使用的是力锤、
力棒，其锤头或锤垫多选用工程塑料、高强尼龙、铝、铜、铁、橡皮垫等材料，锤的质
量为几百克至几十千克不等。
稳态激振设备可包括扫频信号发生器、功率放大器及电磁式激振器。由扫频信号发
生器输出等幅值、频率可调的正弦信号，通过功率放大器放大至电磁激振器输出同频卒
正弦激振力作用于桩顶。
8.3 现场检测
8.3.1 桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。因此，要求受检桩桩顶的混
凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件基本等同。灌注桩应凿去桩顶浮浆或松散、破损
部分，并露出坚硬的混凝土表面；桩顶表面应平整干净且无积水；妨碍正常测试的桩顶
外露主筋应割掉。对于预应力管桩，当法兰盘与桩身混凝土之间结合紧密时，可不进行
处理，否则，应采用电锯将桩头锯平。
当桩头与承台或垫层相连时，相当于桩头处存在很大的截面阻抗变化，对测试信号
会产生影响。因此，测试时桩头应与混凝土承台断开；当桩头侧面与垫层相连时，除非
对测试信号没有影响，否则应断开。
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8.3.2 从时域波形中找到桩底反射位置，仅仅是确定了桩底反射的时间，根据△T＝
2L/c，只有已知桩长 L 才能计算波速 c，或已知波速 c 计算桩长 L 因此，桩长参数应以实
际记录的施工桩长为依据，按测点至桩底的距离设定。测试前桩身波速可根据本地区同
类桩型的测试值初步设定，实际分析过程中应按由桩长计算的波速重新设定或按 8.4.1
条确定的波速平均值 c 设定。 m
对于时域信号，采样频率越高，则采集的数字信号越接近模拟信号，越有利于缺陷
位置的准确判断。一般应在保证测得完整信号（时段 2L/c＋5ms，1024 个采样点）的前
提下，选用较高的采样频率或较小的采样时间间隔。但是，若要兼顾频域分辨率，则应
按采样定理适当降低采样频率或增加采样点数。
稳态激振是按一定频率间隔逐个频率激振，并持续一段时间。频率间隔的选择决定
于速度幅频曲线和导纳曲线的频率分辨率，它影响桩身缺陷位置的判定精度；间隔越小，
精度越高，但检测时间很长，降低工作效率。一般频率间隔设

置为 3Hz，5Hz 和 10Hz。每
一频率下激振持续时间的选择，理论上越长越好，这样有利于消除信号中的随机噪声。
实际测试
过程中，为提高工作效率，只要保证获得稳定的激振力和响应信号即可。
8.3.3 本条是为保证获得高质量响应信号而提出的措施：
1 传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄；必要时可采用冲击钻打孔安装方式，
但传感器底安装面应与桩顶面紧密接触。
2 相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，在桩顶部位可能出现与桩的
横向振型相应的高频干扰。当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的
干扰加剧。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰的程度各异。初步研究表
明：实心桩安装点在距桩中心约 2/3 半径 R 时，所受干扰相对较小；空心桩安装点与激
振点平面夹角等于或略大于 90° 时也有类似效果，该处相当于横向耦合低阶振型的驻
点。另应注意加大安装与激振两点距离或平面夹角将增大锤击点与安装点响应信号时间
差，造成波速或缺陷定位误差。传感器安装点、锤击点布置见图 1。
当预制桩、预应力管桩等桩顶高于地面很多，或灌注桩桩顶部分桩身截面很不规则，
或桩顶与承台等其他结构相连而不具备传感器安装条件时，可将两支测量响应传感器对
称安装在桩顶以下的桩侧表面，且宜远离桩顶。
3 激振点与传感器安装点应远离钢筋笼的主筋，其目的是减少外露主筋对测试产生
干扰信号。若外露主筋过长而影响正常测试时，应将其割短。
4 瞬态激振通过改变锤的重量及锤头材料，可改变冲击入射波的脉冲宽度及频率成
分。锤头质量较大或刚度较小时，冲击入射波脉冲较宽，低频成分为主；当冲击力大小
相同时，其能量较大，应力波衰减较慢，适合于获得长桩桩底信号或下部缺陷的识别。
锤头较轻或刚度较大时，冲击入射波脉冲较窄，含高频成分较多；冲击力大小相同时，
虽其能量较小并加剧大直径桩的尺寸效应影响，但较适宜于桩身浅部缺陷的识别及定位。
5 稳态激振在每个设定的频率下激振时，为避免频率变换过程产生失真信号，应具
有足够的稳定激振时间，以获得稳定的激振力和响应信号，并根据桩径、桩长及桩周土
约束情况调整激振力。稳态激振器的安装方式及好坏对测试结果起着很大的作用。为保
证激振系统本身在测试频率范围内不至于出现谐振，激振器的安装宜采用柔性悬挂装置，
同时在测试过程中应避免激振器出现横向振动。
8.3.4 桩径增大时，桩截面各部位的运动不均匀性也会增加，桩

浅部的阻抗变化往往表
现出明显的方向性。故应增加检测点数量，使检测结果能全面反映桩身结构完整性情况。
每个检测点有效信号数不宜少于 3 个，通过叠加
平均提高信噪比。
应合理选择测试系统量程范围，特别是传感器的量程范围，避免信号波峰削波
8.4.1 为分析不同时段或频段信号所反映的桩身阻抗信息、核验桩底信号并确定桩身缺
陷位置，需要确定桩身波速及其平均值 Cm。 波速除与桩身混凝土强度有关外，还与混凝
土的骨料品种、粒径级配、密度、水灰比、成桩工艺（导管灌注、振捣、离心）等因素
有关。波速与桩身混凝土强度整体趋势上呈正相关关系，即强度高波速高，但二者并不
为一一对应关系。在影响混凝土波速的诸多因素中，强度对波速的影响并非首位。中国
建筑科学研究院的试验资料表明：采用普硅水泥，粗骨料相同，不同试配强度及龄期强
度相差 1 倍时，声速变化仅为 10%左右；根据辽宁省建设科学研究院的试验结果：采用
矿渣水泥， 28 天强度为 3 天强度的 4～5 倍，一维波速增加 20%～30%；分别采用碎石
和卵石并按相同强度等级试配，发现以碎石为粗骨料的混凝土一维波速比卵石高约 13%。
天津市政研究院也得到类似辽宁院的规律，但有一定离散性，即同一组（粗骨料相同）
混凝土试配强度不同的杆件或试块，同龄期强度低约 10%～15%，但波速或声速略有提高。
也有资料报导正好相反，例如福建省建筑科学研究院的试验资料表明：采用普硅水泥，
按相同强度等级试配，骨料为卵石的混凝土声速略高于骨料为碎石的混凝土声速。因此，
不能依据波速去评定混凝土强度等级，反之亦然。
虽然波速与混凝土强度二者并不呈一一对应关系，但考虑到二者整体趋势上呈正相
关关系，且强度等级是现场最易得到的参考数据，故对于超长桩或无法明确找出桩底反
射信号的桩，可根据本地区经验并结合混凝土强度等级，综合确定波速平均值，或利用
成桩工艺、桩型相同且桩长相对较短并能够找出桩底反射信号的桩确定的波速，作为波
速平均值。此外，当某根桩露出地面且有一定的高度时，可沿桩长方向间隔一可测量的
距离段安置两个测振传感器，通过测量两个传感器的响应时差，计算该桩段的波速值，
以该值代表整根桩的波速值。
8.4.2 本方法确定桩身缺陷的位置是有误差的，原因是：缺陷位置处ΔTx 和 Δf`存在读
数误差；采样点数不变时，提高采样频率降低了频域分辨率；波速确定的方式及用抽样
所得平均值 Cm替代某具体桩身段波速带来的误差。其中，

波速带来的缺陷位置误差
Δx=x*ΔC/c( ΔC/c 为波速相对误差）影响最大，如波速相对误差为 5%，缺陷位置为 10m
时，则误差有 0.5m；缺陷位置为 20m 时，则误差有 1.0m。
对瞬态激振还存在另一种误差，即锤
击后应力波主要以纵波形式直接沿桩身向下传
播，同时在桩顶又主要以表面波和剪切波的形式沿径向传播。因锤击点与传感器安装点
有一定的距离，接收点测到的入射峰总比锤击点处滞后，考虑到表面波或剪切波的传播
速度比纵波低得多，特别对大直径桩或直径较大的管桩，这种从锤击点起由近及远的时
间线性滞后将明显增加。而波从缺陷或桩底以一维平面应力波反射回桩顶时，引起的桩
顶面径向各点的质点运动却在同一时刻都是相同的，即不存在由近及远的时间滞后问题。
所以严格他讲，按入射峰。桩底反射峰确定的波速将比实际的高，若按“正确”的桩身
波速确定缺陷位置将比实际的浅，若能测到 4L/c 的二次桩底反射，则由 2L/c 至 4L/c 时
段确定的波速是正确的。
8.4.3 表 8.4.3 列出了根据实测时域或幅频信号特征，所划分的桩身完整性类别。完整
桩典型的时域信号和速度幅频信号见图 2 和图 3，缺陷桩典型的时域信号和速度幅频信号
见图 4 和图 5。
完整桩分析判定，从时域信号或频域曲线特征表现的信息判定相对来说较简单直观，
而分析缺陷桩信号则复杂些，有的信号的确是因施工质量缺陷产生的，但也有是因设计
构造或成桩工艺本身局限导致的不连续断面产生的，例如预制打入桩的接缝，灌注桩的
逐渐扩径再缩回原桩径的变截面，地层硬夹层影响等。因此，在分析测试信号时，应仔
细分清哪些是缺陷波或缺陷谐振峰，哪些是因桩身构造、成桩工艺、土层影响造成的类
似缺陷信号特征。另外，根据测试信号幅值大小判定缺陷程度，除受缺陷程度影响外，
还受桩周土阻尼大小及缺陷所处的深度位置影响。相同程度的缺陷因桩周土岩性不
同或缺陷埋深不同，在测试信号中其幅值大小各异。因此，如何正确判定缺陷程度，特
别是缺陷十分明显时，如何区分是Ⅲ类桩还是Ⅳ类桩，应仔细对照桩型、地质条件，施
工情况结合当地经验综合分析判断；不仅如此，还应结合基础和上部结构型式对桩的承
载安全性要求，考虑桩身承载力不足引发桩身结构破坏的可能性，进行缺陷类别划分，
不宜单凭测试信号定论。
桩身缺陷的程度及位置，除直接从时域信号或幅频曲线上判定外，还可借助其他计
算方式及相关测试量作为辅助的分析手段：
1 时域信号曲线拟合法：将桩划分为

若干单元，以实测或模拟的力信号作为已知条
件，设定并调整桩身阻抗及土参数，通过一维波动方程数值计算，计算出速度时域波形
并与实测的波形进行反复比较，直到两者吻合程度达到满意为止，从而得出桩身阻抗的
变化位置及变化量大小
。该计算方法类似于高应变的曲线拟合法。
2 根据速度幅频曲线或导纳曲线中基频位置，利用实测导纳值与计算导纳值相对高
低、实测动刚度的相对高低，进行判断。此外，还可对速度幅频信号曲线进行二次谱分
析。
图 6 为完整桩的速度导纳曲线。计算导纳值Nc ，实测导纳值Nm 和动刚度Kd 分别按
下列公式计算：
导纳理论计算值：
Nc=1/ρ*Cm*A
实测导纳几何平均值：Nm=(Pmax*Qmin)^1/2
理论上，实测导纳值 、计算导纳值 和动刚度 就桩身质量好坏而言存在一定
的相对关系：完整桩， 约等于 、 值正常；缺陷桩， 大于 、 值低，且
随缺陷程度的增加其差值增大；扩径桩， 小于 、 值高。
值得说明，由于稳态激振过程在某窄小频带上激振，其能量集中、信噪比高、抗干
扰能力强等特点，所测的导纳曲线、导纳值及动刚度比采用瞬态激振方式重复性好、可
信度较高。
表 8.4.3 没有列出桩身无缺陷或有轻微缺陷但无桩底反射这种信号特征的类别划分。
事实上，测不到桩底信号这种情况受多种因素和条件影响，例如：
——软土地区的超长桩，长径比很大；
——桩周土约束很大，应力波衰减很快；
——桩身阻抗与持力层阻抗匹配良好；
——桩身截面阻抗显著突变或沿桩长渐变；
——预制桩接头缝隙影响。
其实，当桩侧和桩端阻力很强时，高应变法同样也测不出桩底反射。所以，上述原
因造成无桩底反射也属正常。此时的桩身完整性判定，只能结合经验、参照本场地和本
地区的同类型桩综合分析或采用其他方法进一步检测。
对设计条件有利的扩径灌注桩，不应判定为缺陷桩。
8.4.4 当灌注桩桩截面形态呈现如图 7 情况时，桩身截面（阻抗）渐变或突变，在阻抗
突变处的一次或二次反射常表现为类似明显扩径、严重缺陷或断桩的相反情形，从而造
成误判。因此，可结合施工、地层情况综合分析加以区分；无法区分时，应结合其他检
测方法综合判定。当桩身存在不止一个阻抗变化截面（包括上述桩身某一范围阻抗渐变
的情况）时，由于各阻抗变化截面的一次和多次反射波相互迭加，除距桩顶第一阻抗变
化截面的一次反射能辨认外，其后的反射信号可能变得十分复杂，难于分析判断。此时，
宜按下列规定采用实测曲线拟合法进行辅助分析：
1

信号不得因尺寸效应、测试系统频响等影响产生畸变。
2 桩顶横截面尺寸应按现场实际测量结果确定。
3 通过同条件下、截面基本均匀的相邻桩曲线拟合，确定引起应力波衰减的桩土参
数取值。
4 宜采用实测力波形作为边界条件输入。
8.4.5 对嵌岩桩，桩底沉渣和桩端持力层是否为
软弱层、溶洞等是直接关系到该桩能否
安全使用的关键因素。虽然本方法不能确定桩底情况，但理论上可以将嵌岩桩桩端视为
杆件的固定端，并根据桩底反射波的方向判断桩端端承效果，也可通过导纳值、动刚度
的相对高低提供辅助分析。采用本方法判定桩端嵌固效果差时，应采用静载试验或钻芯
法等其他检测方法核验桩端嵌岩情况，确保基桩使用安全。
8.4.7 人员水平低，测试过程和测量系统各环节出现异常、人为信号再处理影响信号真
实性等，均直接影响结论判断的正确性，只有根据原始信号曲线才能鉴别。