桩基检测中低应变反射波法的应用探讨

桩基检测中低应变反射波法的应用探讨

刘显武

广州市花都区建设工程质量监督检测室

摘要：本文主要对低应变反射波检测的基本原理和低应变反射波检测的缺陷成因及缺陷特征进行了分析，并就提高低应变反射波检测准确性的若干方法进行了论述，以供同仁参考。

关键词：桩基检测；低应变反射波法；基本原理；缺陷成因；

一、前言

桩基属地下隐蔽工程，无法采用简单、直观的方法对其质量进行检测，且受施工工艺等多方面影响，其质量较难保证。为保证桩基安全可靠，质量检验是十分必要的桩身完整性检测技术。低应变反射波法是在这种工程需要和技术发展的背景下发展起来的一种对桩身结构完整性进行评价的动测方法，具有操作简单、快速、经济而且能无破损检验桩身质量等多方面优点，是目前桩基质量检测规范首推的桩身完整性检测方法，在桩基检测当中得到了广泛的应用。

二、低应变反射波检测的基本原理

低应变反射波法是假设桩为等截面的细长杆，四周无侧阻力作用，顶端受激振力或其他振动形式的冲击后，冲击能量都以应力波的形式沿桩身传递，传递过程是以一维波动方程为数学模型^[1]。且杆件截面变形仍然保持平面，杆件变形与受力成正比，由振动理论基础得知，桩体纵向振动的微分方程为:

（1）

其中， u为桩身在z方向上的位移；C为应力波沿桩身的传播速度， C= ， E为材料弹性模量，ρ为介质密度。

其桩身波阻抗，纵波波速及缺陷位置的计算表达式分别为:

Z = ρCS （2）

C = 2L/t （3）

L＇= Ct＇/2 （4）

其中， Z为桩身波阻抗；A为桩身横截面面积；L为桩长；t为桩底反射波双程旅行时间；L＇为桩身缺陷位置；t＇为缺陷处反射波双程旅行时间。

值得注意的是，波速由实测值决定，通常实测的波速是桩的平均波速，因此，确定缺陷位置时要适当考虑这一因素的影响。设桩在某截面处其阻抗发生变化，变化前后的阻抗分别为Z₁ 和Z₂，可得:

(5)

其中， u_r为入射波位移；u_ɑ为反射波位移；ɑ= Z₂/Z₁。

由式(5)可知，在t=2L/C时间内，当桩身阻抗由大变小时， ɑ<1，入射波与反射波同相；当桩身阻抗由小变大时， ɑ>1，入射波与反射波反相；当桩身阻抗无变化时， ɑ=1，反射波为零，即不存在反射现象。实测中，须根据实测桩身阻抗波形曲线变化情况，再结合式(2) 判断桩身的缺陷性质。

三、低应变反射波检测的缺陷成因及缺陷特征
　　基桩中常见的缺陷有:蜂窝、离析、缩径、扩径、夹泥(层)、断裂。现对各种缺陷产生的原因和条件以及反射波的曲线特征分别加以分析。
（1）蜂窝状缺陷。一般是由于配料不当，或是井壁掉下的泥、砂及残留在桩体中的浮渣和浮浆等造成。由于这些小孔洞是分散在胶结较好的混凝土中，激振波的一部分成为反射波返回桩顶；一部分被散射；一部分直接透射或绕射到达桩底，再反射回到桩顶。所以，有振幅较小的同相缺陷反射波与振幅更弱的同相(持力层为土层或强风化层)或反相(持力层为中风化岩)的桩底反射波。桩身平均纵波速度稍低于完整桩。
（2）离析类缺陷。混凝土搅拌不均匀，运输路径太长，混凝土受水冲泡等，使粗骨料集中在一起，造成桩身混凝土离析。在离析类缺陷的顶界面上产生同相反射波，在其下界面上产生相对较弱的反相反射波，当其出现在深部时为单一衰减型正弦波，在浅部时多为合成波。
（3）缩径类缺陷。当桩孔穿过遇水膨胀的土层时，桩孔四周该土层遇水后向桩孔中凸起，使该处的桩径缩小。此外，当桩身穿过含承压水的地层时，由于地水的不断冲刷，使混凝土的砂浆流失，产生缩径。在缩径类缺陷的顶界面上产生同相反射波，在底界面上产生相对较弱的反相反射波，振幅的大小与缩径的大小有关。此类缺陷与离析蜂窝类缺陷的根本差别是：激振波可以通过桩身中部到达桩底产生反射波回到桩顶，桩身平均纵波速度正常。
（4）扩径类缺陷。在容易崩落土层中能产生扩径；基桩复打时能在遇水膨胀及松软土层处产生扩径；在岩石中爆破成孔也常常产生扩径。扩径部分上界面产生反相反射波，下界面上产生相对较小的同相反射波。
（5）断裂类缺陷。致使桩身断裂的原因较多。主要有跳打不合理造成的邻桩挤压断裂或土体隆起将桩拔断；灌桩过程中较长时间停工，继续施工形成浮浆将桩隔断。混凝土浇灌时拔管过快容易造成断桩；挖土机开沟将桩拉断等外力作用下造成断桩。桩身断裂，裂口充水或充气，反射系数很大，反射波很明显，振幅大。若断裂面平整、断裂面到桩顶的距离不太大，能在检测曲线上出现3次以上反射。

四、提高低应变反射波检测准确性的若干方法

1. 采用不同种类的检测锤以适应不同检测长度及分析不同深度各种缺陷。经验总结得出以多种锤型对同一根桩检测后对不同效果波形进行分析，往往能够得到全面的桩基完整性检测结果且更为准确直观。资料显示，一般小锤可测出3～20m范围的缺陷，中锤可测出5～30m缺陷，大锤可测出10～50m缺陷信号。因此尽量不要用小锤测长桩，这主要取决于小锤的能量与频率特性。反过来说，对于桩头附近的缺陷最好用小锤在桩头多取几点进行检测，大锤反而反射不明显。同时，手锤、自由落锤和力棒所用材料、锤垫厚度也影响到敲击力脉冲宽度，也就是影响力谱成分。相应的力谱宽度依次是硬橡胶头最窄，尼龙头次之，铝头最宽，这在检测中均应灵活考虑，均衡应用，需根据桩型和检测目的，选择不同材质和质量的锤头，以获得所需的激振频率和能量。

2. 加强桩头的清理。现场检测中，对桩头的检查应是最基本的步骤之一。很多检测波形的采集效果不理想，都是因为桩头清理不当造成。如桩头浮浆未曾凿除彻底，表面不平整，桩顶积水等等一系列问题，看似不起眼，对检测信号的影响却不能忽视。

3. 加强桩头钢筋的处理。由于灌注桩要考虑到承台的设置或接桩的需要，桩头均有钢筋露头。这对实测波形有一定的影响，严重时影响反射信息的识别。主要原因是桩头激振时，钢筋所产生的回声极易被检波器接收，之后又与反射波叠加到一起。这时，采集到的波形变得极为复杂，给处理带来难度。相关规程中也严格规定，远离钢筋50mm外安置传感器。

4. 加强桩头破损检查。桩头破损原因较多，预制桩、灌注桩两种类型的桩头均可发生。但其共同的特点就是导致桩头出现损坏或表面松散，弹性波能量很快衰减，从而削弱了桩间及桩底反射信号，影响到波形的识别。由图1、图2可见，同一根桩，由桩头因素导致的检测结果影响极大。也提醒我们对检测前期的检查准备工作一定要细致认真。

图1、桩头浮浆未曾彻底凿除前 图2、桩头浮浆清理后

（5）重视测桩盲区的研究。当桩顶受到锤击或敲击时，其锤击能量在桩土系统中沿深度传递过程为波动，下行的压力波遇到桩身阻抗有变化和桩侧阻力都要产生上行的应力反射波。桩顶受点振源锤击扰动后，最初形成的波动区，靠近桩顶部分形成半球面波，传播不满足平面假定。同时下行的压力波和上行的阻力波、桩身阻抗变化反射波比较，占有更大优势，下行压力波往往掩盖了上行波。桩顶部形成这种现象的区段就是测桩盲区。对低应变而言1-1.5D（D为桩直径）或大约<5m的桩长范围内易为测试盲区。处理方法最好是采用更轻更小的锤多次击振采集信号，对实心桩的测试，击振点位置应选择在桩的中心；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成90°夹角，击振点位置宜在桩壁厚的1/2处。必要时增加测点数目，以判定浅部缺陷，再用大锤敲出桩底反射波，二者结合，综合判定。

（6）如果采集到振荡波形，应分析产生原因及消除方法。低应变法检测桩身结构完整性，波形采集过程中极易出现振荡波。首先应考虑的是传感器接收是否符合规定要求，即桩顶处理完毕、传感器位置选择准确、粘贴紧密。其中，传感器位置务必按规范要求，安置于距桩中心1/2-2/3倍半径处，因这种位置干扰最小，同时，粘接剂弹性太好或太厚或安装不牢靠也都是产生振荡波的原因。其次，激振能量要适当。经验显示，以能见桩底反射为前提，使桩周参加振动的土体尽量少，减小对波形的干扰。因此，土愈好，桩愈长，应采用大锤敲击，反之，用小锤敲击。最后，不要忘记桩顶钢筋的干扰因素、周围环境的电磁干扰。

五、结论
（1）低应变法对桩基浅部缺陷较敏感，但受地质条件影响较大，所以低应变反射波法适用于地质条件简单、桩长小于50m或桩径小于115cm以下的桩基完整性检测，也可用于大面积桩基质量普查。
（2）反射法具有检测快捷方便、效率高、能够实时做出判断。可用来检查桩身完整性，并可检查缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣。
（3）低应变反射波法受到的干扰因素较多如：桩身截面突变、激振方式选用、桩头的处理情况等都会对判别结果造成影响。
（4）在应用该法检测时对于大直径桩、长径比很小的桩，应注意其尺寸效应，不能完全用一维理论来解释，可采用增加检测点、与其它检测方法相互校核的方式进行。

参考文献

[1]《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014.
[2]马余平.低应变反射波法在桩基施工质量检测中的应用[J].工程技术：全文版，2016（9）.
[3]余节考.低应变反射波法用于桩基检测的实践探究[J].建筑工程技术与设计，2016（14）.