中冶成都勘察研究总院有限公司测试中心
摘要：本文讨论机械阻抗法近些年在基桩检测上的应用，分析瞬态机械阻抗法和稳态机械阻抗法的各自的优点以及局限，提出机械阻抗法在以后基桩检测应用上的发展方向，希望引起基桩检测一线人员的重视。
关键词：基桩检测瞬态机械阻抗法稳态机械阻抗法
一、前言
早在20世纪30年代就有人根据机电比拟原理由电阻抗方法得出机械阻抗方法，目的在于解决机电联合系统振动问题。但由于机械系统的复杂性，它只是一种纯理论方法并没有多大实用价值。到50年代，逐渐成为结构振动分析的一个分支。直到60年代一些尖端科学，由于隔振和噪声等问题的需要，国外研制了以跟踪滤波器为核心的机械阻抗测试仪，因而稳态正弦激振的机械子抗法测试技术基本上得以解决，这种方法才得到飞速发展。
机械阻抗方法最初用于尖端武器运载工具的研制并取得很大成功，目前已在各个工业部门得到广泛应用并逐步发展成为一种常规方法。提高机床的动刚度，确定火箭部件的环境试验条件，判断机器运行中重要零部件的损伤程度等都用到机械阻抗方法。
1966年法国房屋和公共工程研究中心首次把稳态机械阻抗法用于基桩检测，我国在70年代中期引进了机械组抗法的技术，在80年代西安公路研究所最早开始研究稳态激振机械阻抗测桩仪的瞬态机械阻抗法，从此开启了机械阻抗法在我国基桩检测上大规模的应用。
二、稳态机械阻抗法测桩的基本原理
早期机械组抗法的试验设置由激振、拾振和记录三个部分组成。
激振部分由永磁式激振器、信号源和功率放大器组成。激振器和桩顶连接有悬吊式和半刚性座式两种方式。拾振器为安装在桩顶的速度传感器。记录仪用x-y函数记录仪或计算机。
由功率放大器推动激振器，产生正弦式垂直力，通过力传感器作用在桩顶上。力传感器、功率放大器和检测仪组成闭环系统，可使激振力幅保持恒定，而激振频率从15~1200Hz变化。
激振力作用下的桩-土系统响应信号，由速度传感器测量。通过检测仪的放大和跟踪滤波器滤波，再由检波器变为直流信号，推动x-y函数记录仪的y轴，检测仪同时输出与激振频率成正比的直流信号推动x轴，从而绘制出速度导纳随频率变化的导纳曲线。
由导纳曲线可得到相邻两谐振峰的频率差，由此可以判断桩身完整性。由导纳曲线低频段斜率的倒数可求得桩的动刚度，由动刚度可以推算单桩承载力。
三、瞬态机械阻抗法测桩的基本原理
用安装有石英晶体力传感器的手锤，自由落锤或力棒，给桩作用一脉冲力，由安装于桩顶的加速度或速度传感器测量桩-土系统响应信号。两种信号经数字滤波、窗函数设置。量化、平滑、趋势项处理、快速傅里叶变换和平均等处理后，可绘制出导纳曲线。
瞬态机械组抗法的响应信号随机噪声干扰较大，试验现场不可避免的存在环境噪声，对落锤激振试验在相同条件下重复进行多次测量，然后进行平均，以消除随机噪声影响，提高测试精度。对桩的检测，一般3~5次的重复敲击试验可以得到满意的导纳曲线。
瞬态机械组抗法检测基桩，不仅能得到导纳曲线。还可得到相干函数。相干函数表示由敲击信号引起的系统响应能量与实际测量得到的响应能量之比，其值在0~1之间，它可反应噪声的干扰程度，噪声干扰越小，相干函数越接近1.通过相干函数可以对导纳曲线的可信度进行判别，当相干函数小于0.6所对应的导纳曲线是不可信的。
四、瞬态激振和稳态激振机械阻抗法的优缺点
稳态激振是激振力恒定，频率由低到高变化的正弦波激励方法。激振力大小根据桩径、桩长而定。一根桩激振力一旦确定，那么扫频过程每一窄小频带上都作用这个定量的激振力，激振能量集中，信燥比高，抗干扰能力强，导纳曲线重复性好，同一根桩即使相隔几天用稳态激振试验，两次试验的导纳曲线基本一致。因而稳态激振法的导纳曲线可靠性高。尤其是动刚度的确定较为稳定，比瞬态法可信度高。
稳态激振法的缺点是设备较重，测试周期长，每次激振频率的改变均需要较长的稳定时间，导致现场试验不够方便，不便于工程桩的质量普查。其次，目前电磁式激振器振力有限，对于特大特长桩，难于得到谐振峰，在实际的工程桩检测的过程中，遇到的难以测试的问题比较多。
瞬态激振的主要有限是仪器设备轻便，检测速度快，便于工程桩的质量普查。但是它的信号重复性差，一锤敲击激振力分配到整个频带上能量较小，信噪比低，噪声干扰较大，动刚度值可靠性较低。同时测试信号好坏和敲击工具，敲击方式以及传感器的安装关系极大。传感器一般都是安装于桩顶面，都存在安装谐振频率。安装不好，谐振频率大大低于传感器的频率上限，降低传感器的动态范围。而敲击的时候力的大小不容易控制，过小会降低信噪比，过大会引起非线性，在同一个点每次敲击的时候都难以控制其重复性，导致试验结果误差较大，准确度差。这些都会对一线的检测人员提出很高的要求，要求他们具有现场检测时分辨有效信号的能力，这些都需要大量现场经验的积累，以及有关详细信息的交流。
五、根据速度导纳曲线判断桩身结构的完整性
稳态激振和瞬态激振机械阻抗法，其试桩结果可得到速度导纳随频率变化曲线。瞬态激振机械组抗法还可以得到力波、桩-土响应波、力谱、响应谱和相干函数曲线，通过曲线分析和计算，可以得到以下参数：
有了以上参数就可以对桩身结构进行如下的判断。
（1）完整桩
完整桩的混凝土是连续的，密实度基本均匀，桩身阻抗不会由太大变化，导纳曲线为等间隔的谱峰。由频差值和桩长可计算波速，或用经验估计的波速和频差值可得测量桩长，它应接近施工桩长。
（2）断桩
断桩桩身混凝土不连续。一般情况下，应为波从断裂处产生全反射，看不到桩底反射，导纳曲线为等间隔谱峰。由频差值和估计的波速可得测量桩长。当测量桩长小于施工桩长，且实测导纳值远远大于理论导纳值，以及桩土系统动刚度很小，则判断为短桩。
（3）缩颈
缩颈桩可看到桩底和缩颈处的反射波，导纳曲线有整桩的频差，也有反应缩颈的频差，而且实测导纳值大于理论导纳值，以及桩土系统动刚度较小。
（4）扩颈
扩颈桩可看到桩底和扩颈处的反射波，导纳曲线有反映整桩和扩颈处的频差，而且实测导纳值小于理论导纳值，以及桩土系统动刚度较大。
（5）混凝土离析
离析桩的离析层是一个渐变的过程，不像断桩有明显的反射界面，往往频差不明显，若有桩底反射，得到的整桩平均波速比正常桩低的多，判断为离析。
（6）夹泥
桩身夹泥一般情况能看到桩底反射波，导纳曲线出现反映桩底的谐振峰，之后出现较大的谐振峰。该谐振峰为夹泥处的反射。
（7）桩底沉渣（虚土）定性判断
对于完整桩，其导纳曲线的基频接近C/4L时，表明桩尖嵌固较好，沉渣较少；当其导纳曲线的基频接近C/2L时，表明桩尖嵌固较差，沉渣较厚。
用速度导纳曲线判断桩身结构完整性的技术比应力波反射波法复杂，对于完整桩和有严重缺陷的桩，导纳曲线较为单一，基本上是出现等间隔的谐振峰，而桩身局部夹泥、缩颈等半断桩，导纳曲线较为复杂，通常出现大峰间杂小峰的调制波，波形分析判断要有相当的经验。
六、机械阻抗法在基桩检测应用中发展现状及前景
在1995年的《基桩低应变动力检测规程》(JGJ/T93-95)中，具体的对机械阻抗法做出了明确和系统的规定。但是由于机械阻抗法自身的问题没有得到在全国的大规模的普及，在2003年的中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)中，机械阻抗法并没有提及，在全国范围内对机械阻抗法检测基桩的方法基本停滞，很少有单位采用。但是这并不代表机械阻抗法将要在基桩检测的历史舞台消失，因为它自身独有的优点又让它在今年重新回到了人们的视野。在今年一些专业文献中，重新提到了机械阻抗法，笔者相信在不久的将来，机械阻抗法就能突破自己本身的瓶颈，得以在基桩检测上大显身手，发挥它本身应有的光芒。
参考文献：
[1]《基桩质量检测技术》陈凡主编中国建筑工业出版社
[2]《桩基工程检测手册》第二版罗骥先主编人民交通出版社
[3]《基桩低应变动力检测规程》(JGJ/T93-95)
[4]《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003中华人民共和国行业标准
作者简介：
赵国志男（1980-1）本科工程师主要从事建筑地基检测工作。