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（整期优先）网络出版时间：2022-07-08

作者: 赵迪1，王瑞2

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基桩浅部缺陷的判别与分析

赵迪 1 ，王瑞 2

1. 中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州 450000； 2. 郑州中核岩土工程有限公司，河南郑州 450000

摘要：应力波反射法以其简便、快捷、可靠等优势被广泛应用于桩身结构完整性检测中。该方法看似简单，但在检测过程中涉及多方面因素，一般工作人员都能按正常步骤和相关软件基本完成测试工作，但最终要得出较准确的判释结果，有一定的难度，不同桩型、不同缺陷会反映为不同的波形，本文结合作者多年工作经验，对检测过程中遇到的各种典型浅部缺陷进行了分析与总结，以供检测人员对各种测试波形进行准确、快速的分析、判释，得出较为准确的判释结果，高效的完成工作任务。

关键词：应力波反射法；浅部缺陷；波形

作者简介：赵迪，男，1983-，汉族，籍贯吉林省公主岭市，本科，地质工程师，主要从事岩土工程勘察工作。

1.前言

随着我国建筑业的迅速发展，桩基工程越来越多，基桩在施工过程中，受地质条件、施工工艺及施工队专业技术水平的影响，桩身结构难免存在缺陷。目前，在基桩完整性的检测方法中，低应变反射波法使用最为普遍，其利用应力波在传播过程中遇到截面阻抗变化而产生反射和透射的原理识别桩身完整性，如判别桩身长度、桩身缺陷及其位置等^[1]。虽然，应力波在桩身传播时，桩—土互相作用以及桩身材料的阻尼作用会引起引力波的衰减，尺寸作用也会产生频散，但一维应力波理论对桩身完整性进行检测判定仍是低应变动测的理论基础^[2]。

2.检测原理及方法

2.1基本原理

低应变反射波法的基本原理为波在桩中传播的一维波动方程：

式中：u为t时刻位置处质点的位移；

c= 为杆的纵波波速，E为杨氏模量，ρ为杆件体的质量密度。

用小锤在桩身顶部进行竖向激振，产生弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断桩、缩径、扩径等）变化时，将产生反射波，经接收放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此估算桩身波速并判断桩身结构完整性。

2.2检测方法

首先处理桩头，将桩顶打磨平整，使传感器安装处及锤击处的桩顶面为同一平面，再固定传感器（速度传感器或加速度计）于桩顶，桩顶条件和桩头处理好坏直接影响测试信号质量，因此要求受检桩桩顶的混凝土质量、截面尺寸应与桩身条件基本等同^[3]。待设置好有关参数后，用力棒或手锤进行敲击，及时检查曲线质量并由仪器记录。

2.3应力波反射法适用条件

弹性物体在受正应力作用下，产生的波是纵波，利用纵波在一维弹性杆件中的传播规律，进行桩身完整性检测。对于桩基来说，桩长一般远大于直径，从而可将桩看为一维弹性杆件。由于作用力的量级和激振脉冲力（或称力波）的频谱成份不同，桩与土的振动也较复杂，为了问题的简化，并从实际应用需要出发，只考虑三种主要振动模式：①桩身及桩周土的质点振动；②当桩可视为一维杆件时的纵向多阶共振；③桩土体系共振。

在桩身内产生质点振动，只需极小的激振力，这就是我们所讨论的应力波反射法的基本模式，应力波在桩身中传递过程，也就是桩的检测过程。由于一维波动理论本身存在假定，一些现实存在的东西被忽略掉，另一方面现场测试条件并非理想，所以采集的波形是否反应桩身的真实情况是一直困绕在测桩界的问题，且相同的波形不同的人分析结果不同，下文为作者根据多年的测桩经验对各种典型浅部缺陷波形进行的一些分析与总结。

3.各类波形特点及分析

3.1完好桩

桩底反射明显，曲线光滑，如图1中174号桩，该桩为钻孔灌注桩，桩径400mm、桩长10.5m，混凝土强度C25。

图1完好桩波形图

3.2浅部断裂桩

3.2.1CFG断裂桩

用尼龙锤现场敲击CFG桩，一般浅部断裂为波浪形低频信号，信号中波形振幅大、周期长，波峰、波谷都较为平缓和平滑（图2中455a号桩），改变敲击频率和力大小，可以得到高频和低频叠加的波形（455b号桩），高频是桩断裂部分产生的多次振动，该桩桩径400㎜，桩长16.0m，混凝土强度C25，经开挖验证0.5m处断裂，此类波形的深度约为0.25～1.2m不等，用尼龙锤敲击，波形无太大差异，基本上是低频宽幅的波浪形；用铁锤敲击，产生高频信号叠加在低频振荡曲线上。

图2CFG桩浅部断裂波形图

这种断裂一般是由于机械开挖造成的，机械开挖时会导致浅部断桩较多。

3.2.2高压旋喷桩

高压旋喷桩浅部断裂波形表现低频宽幅的波浪形，而同类波形在灌注桩上的缺陷也类似，均为浅部断桩。但是高压旋喷桩因桩头相对于混凝土桩来说强度低得多，尽管使用材质较硬的铁锤亦激震不出高频信号，由于激震出的主频频率较低，波长长度比缺陷位置深度还大。波长大于桩身缺陷深度时，不产生波动现象，将测不到桩身缺陷的反射波，桩顶部呈现这种现象的区段为盲区。根据开挖验证结果，该桩断裂位置为0.8m左右。

图3高压旋喷桩浅部断桩波形图

3.2.3钻孔灌注桩

钻孔灌注桩的浅层断裂的波形如图4中12号桩，混凝土强度C30，桩径600㎜，桩长15m，波速估算为3800m/s，经分析0.8m处断裂。与图3中高压旋喷桩相比，灌注桩强度较高，低频成分较少，因此可以在波形中看到缺陷位置的多次反射。

图4灌注桩浅部断桩波形图

三种浅部断裂桩所测波形不同，在同一激振力下，分析其原因，首先，由于λ=C/f，当λ远远大于L（缺陷的深度）时，应力波的传播不满足一维波动理论，而是刚体振动，其自振频率应比应力反射波频率低得多，所以浅部缺陷的反射波常表现为低频、振幅大、周期长，常出现主频达100～200Hz的信号或高低频混叠的波形。同一激振条件下，高压旋喷桩比CFG桩波速相对低，但由于桩身材质比较软，激发出的主频也相对较低，综合两者因素，CFG桩波长更容易满足λ（L为缺陷的深度）（λ=C/f）的条件，产生双峰或多峰的断裂部分底部会产生多次反射。改变激振力的频率和激振能量，由于是浅部缺陷，能量只小部分衰减，所以用易产生高频脉冲的小铁锤敲击，可以估测出缺陷所在的位置。钻孔灌注桩由于强度较高，相对于CFG桩及高压旋喷桩更容易激发出高频信号，测试出的浅部缺陷位置也更为准确。

3.3浅部非断裂缺陷桩

此类波形与浅部断桩相比较缺陷反射波峰较小，但敲击时锤声与完好桩相比不易判别，但可通过滤波设置发现一些较严重裂缝或桩部分断裂。

图5浅部非断裂缺陷桩波形图

图5中88号桩为CFG桩，桩径400mm，开挖验证0.3m处裂缝。测试过程中还有类似波形，经开挖验证，缺陷部位大约在0.3～1.1m部位，出现这类波形原因是应力波传播遵从一维波动原理，只是遇到缺陷后产生上行波，使波形出现不规则变化。

关于反射波法，理论上有盲区之说法，一般由于以下三个原因，①桩顶部分受点振源振动后，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。②下行的压力波和上行的阻力波、桩身阻抗变化的反射波比较，占有绝对优势，下行压力波往往掩盖了上行波，使得反映桩身缺陷或扩颈的上行波不易识别，③因λ=C/f=CT，如果激振力频率小，则波长大，当波长大于桩身缺陷深度时，不产生波动现象，将测不到桩身缺陷的反射波。盲区范围一般离桩顶1～1.5d（d为桩径）范围内^[4]。但作者对多种浅部缺陷进行分析，发现测浅部缺陷时，提高入射波的频率使波长减小，只要桩头处理好，激振频率单一，尽量使下行波垂直入射，往往能测出且缺陷位置还是能用波速来估算的。

3.4上部有扩大头的桩的波形

图6上部有扩大头的桩的波形

图6中32号桩波形是受桩头扩大影响，使之突然缩径形成多次反射，大头桩只有浅部扩大时一般20cm以内采集的波形正常，但当扩大头很长超过1m时，且突然缩小，形成实际意义上的缩径，这种缩径会使原来的波形畸变，形成多次反射造成波形反复振荡。该工程存在桩扩大头的桩还有，波形类似，经实践证明，桩头大且露在地表外的桩，测试波形更加杂乱，当然桩头有空洞也会有这样的反射，所以要结合现场情况综合分析。

3.5桩顶有寄生共振造成假的缺陷

浅部有寄生共振时会有波形畸变，不同灵敏度的检波器寄生共振反应程度不同，灵敏度越高反应越明显，灵敏度低时有的寄生共振反应不出来，且不同的寄生共振波形是不同的，图7中132号桩为钻孔灌注桩，混凝土强度C30，敲击时，杂波较多，桩头处有缺陷反射，后经现场分析，应为桩头的箍筋产生共振，避开之后所测波形正常，故该桩应无缺陷。