低应变反射波法在桩基础质量检测中的应用

低应变反射波法在桩基础质量检测中的应用

郭巨国

郭巨国天津地热勘查开发设计院天津300250

摘要：低应变反射波法是目前评价基桩完整性的重要检测手段。与其他方法相比，反射波法具有无损、简便、快捷的优点，能够有效地检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度和位置，因此在桩基础工程无损检测中得到了广泛的应用。

关键字：反射波法基桩检测桩身完整性

低应变反射波法(瞬态激振时域频域分析法)采用瞬态激振方式，通过实测桩顶加速度或速度信号的时域、频域特征，采用一维弹性波动理论分析判定基桩桩身完整性质量，即桩身存在的缺陷位置及其影响程度。

一、反射波法的基本原理

反射波法是目前基桩检测中常用的方法，其基本原理是用力锤在桩头处施加一瞬态脉冲激励,使桩身产生压缩应力波,应力波沿桩身自上而下传播,利用在桩头安装的传感器接收由初始信号和桩身缺陷或桩底反射信号组合的时程曲线,对所记录的带有桩身质量信息的波形进行处理和分析。

桩身是由混凝土构成的，与周围土体及持力层存在着明显的密度差异。基桩埋于地下的长度要远远大于桩身直径，可以将其简化为无侧限约束的一维弹性杆件，即不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响。据波动理论，弹性波在介质传播过程中，当介质发生变化时（即波阻抗发生变化）须产生波的反射，因此当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积发生变化（如缩颈或扩颈），将产生反射波，利用高灵敏、高精度的仪器检测出反射信号，在时间域和频率域上分析阻抗变化处和桩底处的反射波特性，确定桩身平均波速，判定桩身完整性，进而确定桩身缺陷位置，并且可以校核桩长及估算桩身砼强度。

二、现场检测及资料处理

（一）、检测前的准备

1.桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号的质量。如果锤击点落在桩顶未清理干净的浮浆上，会使能量在小范围上迅速耗散而影响应力波向下传播，并导致杂波幅值大，殃及整个时域，掩盖桩下部信息。因此，受检桩桩顶的混凝土质量、界面尺寸应与设计条件基本相同。并应凿去桩顶浮浆或松散、破损部分，并露出坚实的混凝土；桩顶表面应平整干净且无积水；桩顶钢筋长度应以不影响测试为宜。

2、在实心桩的中心位置和距桩中心2/3半径处，对称布置2～4处打磨点，作为激振点和传感器安装点，打磨面应平顺、光洁、密实。

图2－1不同桩径对应传感器和激振点位置示意图

（二）、现场检测

1、检测时受检桩的桩身混凝土强度应达到设计强度的70％且不少于15MPa。预制桩的检测应在相邻桩打完后进行。

2、传感器安装及信号采集应符合下列规定：

（1）、传感器的耦合：耦合剂可以采用橡皮泥、黄油、凡士林等。传感器安装应粘贴牢固。不良的安装会影响测试效果，甚至不能满足测试对象的带宽要求，对速度传感器尤为重要。

（2）、空心桩的激振点与测量传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成的夹角宜为90度，激振点与测量传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。实心桩的激振点位置应选择在桩中心，测量传感器安装位置宜为距桩中心2/3半径处，激振点与测量传感器安装位置应避开钢筋笼主筋的影响。

（3）、不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时，应分析原因，排除人为和检测仪器等干扰因素，增加检测点数量，重新检测。

（三）、数据处理

1、桩身完整性分析宜以时域曲线为主，辅以频域分析，并结合地质资料、施工资料和波形特征等因素进行综合分析判定。

2、桩身波速平均值的确定按规范要求进行，如具备条件，可制作相同混凝土强度等级的模型桩测定波速，也可根据钻取芯样测定波速，确定基桩检测波速时应考虑土阻力及其它因素的影响。

3、桩身完整性类别判定应结合缺陷出现的深度、测试信号衰减特性以及设计桩型、地质条件、成桩工艺、施工情况，按规范要求进行综合判定。桩身完整性的判定标准分为Ⅳ类，见表2-2

表2-2桩身完整性分类表

4、出现下列情况时，桩身完整性判定宜结合其他检测方法进行；

（1）、实测信号复杂，无规律，无法对其进行准确分析和评价；

（2）、当桩长的推算值与实际桩长明显不符，且又缺乏相关资料加以解释或验证；

（3）、桩身截面渐变或多变，且变化幅度较大的混凝土灌注桩；

（4）、由于低应变反射波法是建立在理想化了的一维杆波动理论上的，检测有疑问的桩，应进行验证检测：

a、桩身浅部存在缺陷可开挖验证；

b、桩身深部或桩底存在缺陷时可采用钻芯法进行验证；

c、根据实际情况采用静载试验、钻芯法、高应变法或开挖进行验证。

三、现场测试时应注意的问题

1、反射波法测桩时，短桩或浅部缺陷桩的检测宜采用轻锤快击窄脉冲激振；长桩、大直径桩或深部缺陷桩的检测宜采用重锤宽脉冲激振，也可采用不同的锤垫来调整激振脉冲宽度。应准备几种锤头、垫层，依据不同检测目的而选用。

2、桩基检测中经常会发现在入射脉冲首波后紧跟着一个反相很大的波形，称为反向过冲，可能是由于接收器未安装牢固或距锤击位置太近所致，但也有可能是由于桩头混凝土松软，声波传播时遇到好混凝土产生反射，或者是桩身扩颈所致。因此要避免传感器安装不紧、安装位置距锤击点太近等人为因素，才能真正将桩身缺陷导致的反冲辨别出来。

3、敲击时应尽量使激振力垂直作用于桩头，有利于抑制质点的横向振动；应避免二次冲击，防止后续波的干扰。

4、现场测试时必须对各种可疑的桩身缺陷及时分析，反复检测，获得比较准确的第一手资料。一般要求获得3条重复性较好的测试曲线。虽然测桩仪可以对多条测试曲线进行迭加平均，达到突出有效波、抑制干扰波的目的，但若不同曲线的初始相位存在超前或滞后，叠加后，也可能出现假的异常点。大直径桩若存在局部缺陷，则在不同部位接收到的波形会有差异，应在现场弄清波形差异究竟是测试因素造成还是由于局部缺陷引起。

四、低应变反射波法判断桩身缺陷的局限性

由于低应变反射波法是建立在理想化了的一维杆波动理论上，其属于快速普查基桩施工质量的一种半直接法，在检测中对桩身缺陷的判断就存在局限性：

1、尚无法对缺陷准确定性。对于严重离析和断桩、夹层与裂缝等不能很好的区分。进一步确定缺陷的性质需要综合其他检测手段。

2、对缺陷程度的定量分析不够准确。由于波速计算不够准确，据此计算的缺陷位置存在误差。缺陷在桩轴向的高度及径向的分布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算。

3、对阻抗渐变类的缺陷难以判断。例如，缩颈、离析、扩颈等发生在桩身的某一段，缺陷程度由轻至重或由重至轻，相应波阻抗缓慢减小或增大，实测信号将无法反映这一变化。

4、桩身存在多个缺陷时，尤其是浅部存在较严重缺陷，将很难发现其下部的缺陷，造成漏判。

5、长径比超过一定限度的桩，反射波法无法正确检测。

五、发射波法可能产生误判的原因及规避

反映桩身完整性情况的反射波曲线除入射波外，还包括桩身完整性和桩周土阻力等两个方面的信息。当桩周土不均匀，含软夹层或硬夹层时，在所检测到的反射波曲线的相应位置上会出现一个与入射波相位相同或相反的反射波，可能将软夹层误认为桩身缺陷，造成误判；规避方法是广泛收集该地区的地质勘探资料，核对该位置是否存在软夹层，同时查看施工记录，并对曲线进行比较，其它桩在该位置是否也存在同相反射，一般情况下，若桩身截面和质量沿深度方向的均匀性好，则由桩周软夹层引起的同相反射幅度较小，频率较入射波频率低，而由桩身混凝土缺陷引起的反射波频率和入射波频率相同或相近。

频域分析作为时域分析的一种重要补充，在分析中起着重要的作用，有时在时域曲线中桩底反射不明显，而在频谱曲线上桩底反射却相当明显，时域、频域分析结果可以相互佐证。

混凝土的纵波波速随着时间的增长而增大，开始一段时间增长较快，30天以后增长相当缓慢，根据一维弹性杆件的纵波波速，相同原材料、相同配比，龄期相当的混凝土波速一般相差不大，据此可避免将深部缺陷视作桩底。

对于大直径桩，由于锤击点和传感器安装点位置较远，这会给波速的计算带来误差，实测波速较真实波速要高，用实测波速推得的缺陷位置较缺陷的实际位置要浅，因此，在提供缺陷位置时所用的波速要较实测波速稍高，避免在钻孔取芯或开挖时产生争议，若能测到二次桩底反射，则由第一次至第二次桩底反射时间段确定的波速是正确的。

当所测反射波曲线存在多个同相反射时，应查明这些同相反射是由多个缺陷引起还是同一个缺陷的多次反射。同一个缺陷的多次反射在时域曲线上表现为时间等间隔。

六、结论

由于存在复杂的桩-土系统、理论假设与实际不相符等问题，反射波法也存在一定的局限性，所以在现场检测时，必须选择合适的激振方式和激振点，保证采集信号的真实和准确性。在对检测曲线进行分析时，应综合地质条件、施工工艺、应力波传播机理等各种因素进行综合判断，这样才能比较准确地分析判定桩身质量。当检测出较严重缺陷时，还应该结合其它检测方法综合判定。