低应变反射波法检测基桩缺陷的研究

低应变反射波法检测基桩缺陷的研究

李成富

身份证号: 51021319770515163X

中冶检测认证（重庆）有限公司

摘 要：低应变法为基桩完整性的重要检测手段之一,其设备携带方便，具有成本低、数据采集快、效率高等优点，所以在基桩完整性检测中得到广泛应用，但其检测准确性受检测人员专业知识及检测经验的影响较大，需做进一步研究。本文从检测的原理、检测的要求、检测判据、缺陷形态及规范相应的判定要求，结合工程案例对长期的研究成果进行了介绍，望能为基桩检测提供借鉴。

关键词：低应变  反射波法  基桩  缺陷

前言

桩基础凭借历史悠久、理论成熟、单桩承载力大、工程施工进度快等优点，已成为工业与民用建筑主要采用的基础形式，但是在地质状况差或地下水丰富的地区，也会出现一系列的桩身缺陷，需通过有效的检测手段了解桩身完整性，常用检测方法有钻芯法、低应变法、高应变法及声波透射法，其中低应变法具有经济、快速、无损、检测参数种类多等优点，倍受委托方的青睐。

 桩基低应变检测法主要有机械阻抗法、水电效应法、瞬间动刚度法、反射波法、弹性反射法等五种方法，在此以反射波法在桩基检测中的应用为题进行研讨。

1反射波法简介

 反射波法基桩检测来源于应力波理论，它是在桩顶进行竖向激振，形成的弹性波沿着桩身向下传播，当桩内部存在明显波阻抗界面或桩身截面积发生变化时，会产生反射波，经接收器放大和数据处理，可识别来自桩体不同部位的反射波数据信息，计算出弹性波在基桩内传递的波速等，据此判断桩身的完整性等。

反射波在桩身混凝土的完整性检测中应用，不光可以推定桩身是否存在缺陷，还可以判定缺陷类型及其位置、对桩长进行校核、对桩身混凝土的强度作出判定等，为基桩施工质量提供依据。

2反射波检测缺陷成因及缺陷波形特征

基桩中常见的缺陷有：蜂窝、离析、缩径、扩径、夹泥（层）、断裂，现就产生的各种常见缺陷产生的原因及对应的波形情况分析如下。

2.1蜂窝类缺陷

主要产生的原因有混凝土配合比不当、振捣不密实、混凝土和易性差、浮浆或浮渣等因素造成。混凝土产生蜂窝类缺陷后，当激振波通过桩身向下传播，通过缺陷截面时，会出现部分散射，另外部分形成反射波回到桩顶被接收，在波形上看，相应位置出振幅较小的同向缺陷反射波，桩底反射波振幅也会比对应条件下完整基桩的桩底反射波振幅小，桩身的平均波速也会低于同条件下完整桩的平均波速。

2.2离析类缺陷

主要产生的原因有混凝土和易性差、导管埋深不到位、地下水量大、混凝土运输时间长、拔管速度控制不当、振捣方法等因素造成。离析类缺陷产生后，根据其离析的程度、长度及深度会产生不同的波形形式，主要的波形表现为在出现离析的位置会产生同向的反射波，同向波的起点与终点几乎在同一水平线上，波形会出现拉长的形象，桩身的平均波速会比低于同条件下完整桩的平均波速低。

2.3缩径类缺陷

主要产生的原因施工过程中混凝土质量差收缩快、成孔孔壁土体抗剪强度低，施工过程中出现孔壁沉降、地下水较高引起浇灌混凝土时产生压力差等因素造成。根据缩径类缺陷的程度和长度，在缩径缺处所产生振幅各异的同相反射波，因为一般情况下，缩径过后直径会恢复到正常桩径，所以在同相反射波的后面往往会产生一个反向反射波，这种表现与蜂窝离析类缺陷表现的波形不一，另外缩径类缺陷桩身平均纵波速度与同条件下完整桩的平均波速相近。

2.4扩径类缺陷

主要产生的原因是在施工过程中成孔时发生土体崩塌、浇注过程中遇水易膨胀或松软土层等因素造成。在扩径类缺陷发生处会产生反相的反射波，然后在后面桩径恢复正常处往往会有较小的同向反射波产生，其桩身平均均纵波速度与同条件下完整桩的平均波速相近。

2.5断裂类缺陷

主要产生的原因有混凝土浇注时拔管过快、混凝土来料不及时、间歇时间过长、外力作用等造成的断桩。在产生断裂类缺陷处会产生振幅较大的同向反射波，一般情况下桩顶激振产生的弹性波不会在往断裂类缺陷之下的桩身部分传播了，如果断裂类缺陷距离桩顶距离不大，往往会产生多次反射，判断是否为断裂类缺陷要与施工桩长进行对比，如果与施工桩长相差太大可判定，若是与施工桩长接近，则要通过另外的方法进行论证。

3检测前期准备事项

3.1检测前要收集每根测试的基桩的资料，主要包括每根测试的桩长度、桩身直径、工程地质情况、混凝土强度等级等；混凝土强度要满足规范规定的要求后方可进行测试。

3.2检测前要剔除掉桩顶的浮浆，直到密实混凝土为止，检测基桩顶面要尽量平整并与桩身轴线垂直。

3.3根据规范的要求对检测基桩的安放传感器位置及激振处进行打磨，特别是安放传感器的位置一定要按要求打磨平整，以保证检测过程中传感器与测试面能紧密的粘贴在一起。

3.4根据桩身直径及混凝土强度选择合适的激振工具，通过试测调整仪器设备，对仪器设备参数进行合理的设置。

4基桩典型缺陷实例分析

4.1工程实例一

某七层剪框结构教学楼工程，该教学楼基础采用人工挖孔灌注桩，基中一根基桩设计混凝土强度等级为C30，桩径为900mm，桩长为7.3m,嵌岩深度3.4m，桩底持力层为中风化泥岩，护壁为砖护壁，其测试波形如下图所示。

采集信息分析，波速设置为3800m/s，第一个向上的反射波出的位置3.5 m左右，第二个向上的反射波出的位置8.4 m左右，根据波形图可分析出第二个出现的向上反射波为桩底反射波，根据施工方提供的桩长进行反算出该桩的平均波速为3300m/s左右，所以初步判定该桩在3.5m出现的向上反射波为缺陷波，缺陷类型为混凝土离析。后通过钻芯取样的方式进行验证，该基桩在3.3m~3.8m这部分混凝土芯样出现胶结不好的现象，与对应出现缺陷反射波部位基本吻合。

缺陷调查分析：据现场施工人员回忆，在该基桩混凝土浇注过程中，有大量在下水从砖护壁渗入，在混凝土灌注前也没有对桩内积水进行清理，灌注完成后桩顶面有大量浮浆，由此分析引起该基桩混凝土产生离析的主要原因是由于桩身内积水过多，桩侧护壁又在不断产生水，浇注过程中又没有采取有效措施，导致混凝土中水泥浆向上流失，从而导致该基桩混凝土离析。                         

 4.2工程实例二

某住宅小区工程基础采用人工挖孔灌注桩，设计混凝土强度等级为C30，混凝土护壁，其中一根桩径为1000mm，桩长为10.3m,嵌岩深度2.8m，桩底持力层为中风化泥岩的基桩测试波形如下图所示。

采集信息分析，当波速设置为3800m/s时，第一个向上的反射波出的位置2.0 m左右，第二个向上的反射波出的位置4.0m左右，第三个向上的反射波出的位置6.0m左右，从波形反射的位置及形态可以初步判定这三次的反射波为同一位置的多次反射，说明激振波在传播到2.0m后再没有继续往下传播，2.0m的深度与施工桩长存在严重不符，所以初步分析判定该桩在2m附近断裂。后来经过钻芯取样发现，在1.9m~2.3m段出现大量的水泥浆块并有轻微夹泥，混凝土中只有极其少量的石子，并且有明显的施工截面出现。

缺陷调查分析：经过查阅现场施工记录和现场工程技术人员回忆，该桩在施工过程中，由于混凝土运输不及时，在离桩顶2m左右时等待后续混凝土时长约3小时，据此分析就是由于该原因，导致前期混凝土出现凝固，在后续混凝土施工过程中又未采取相应的措施，所在出现该桩前期混凝土浮浆滞留在1.9m~2.3m这段，从而出现上下两段强度截然不同的混凝土截面而形成断桩，由于该处缺陷距离桩顶距离较小，所以当激振波传播到此处后出现多次反射现象，该基桩的波形示例图是比较典型的断桩波形图。后来经施工单位采取措施，把该桩上部分混凝土全部剔除后再进行测试，发现该桩下部桩身完整较好。

4.3工程实例三

某工业厂房工程基础采用人工挖孔灌注桩，设计混凝土强度为C30，采用混凝土护壁，其中1根桩径为900mm，桩长为7.5m,嵌岩深度3.0m，桩底持力层为中风化砂岩的基桩测试波形如下图所示。

采集信息分析，当设置波速为3800m/s时，测试缺陷反射波出现的位置在4.1m左右，桩底反射波在波形上反映在10m左右，通过施工单位提供的桩长进行计算得到该桩实测平均波速为2850m/s，比正常基桩的波速严重偏低，根据波形图反应初步判定该基桩混凝土存在离析。经钻芯取样后，通过混凝土芯样发现该基桩在3.8m~4.8m、6.7m~7.5m这两段位置混凝土出现离析。

缺陷调查分析：通过现场技术人员回忆，该基桩成孔后出现大量地下水，比周围的其他基桩的渗水量要明显的大的多，在施工过程中也没有对混凝土的配合比进行调整，也没有采用导管等措施对混凝土落差进行控制，混凝土从高处自落，从而导致该桩出现混凝土离析现象。通过波形可以看出，在波形中只显示出了前一处缺陷的位置，后面一处缺陷由于在桩底，在波形上也没有很好的体现，在实际检测过程中也容易忽视，所以在对实测波形分析时一定要慎重进行，对于有缺陷的基桩，最好采用多种方法进行测试验证。 

4.4工程实例四

某住宅小区工程基础采用机械钻孔灌注桩，设计混凝土强度为C25，采用泥浆护壁，其中1根桩径为400mm，桩长为10.5m,嵌岩深度2.1m，桩底持力层为中风化泥岩的基桩测试波形如下图所示。

采集信息分析，当设置波速为3700m/s时，该基桩在5.2m左右出现缺陷波，桩底反射波出现在10.6m左右，与施工单位提供的桩长基本一致，通过波形的形态进行分析，初步判定该桩在5.2m产生缩径，经开挖证实从5.0m~6.6m段产生缩径，通过测量该基桩实际平均直径为305mm，并且在该段桩身混凝土外表面存在大量砂质夹杂物。

缺陷调查分析：经现场工程技术人员介绍并查阅勘察资料得知，该基桩在4.7m以下有近两米的流砂层，经分析产生缩径的可能性有以下两种：一是浇注过程中，由于流砂层受到强制扰动挤压，流砂层中水和空气未能很快扩散，局部产生孔隙压力，当套管拔出时，混凝土强度尚低，把桩体挤成缩径；二是由于浇注过程中，拔管速度过快，管内混凝土随管提升，不足以产生一定的排挤压力，从而形成缩径。

5反射波法基桩检测应注意的问题

反射波法在检测过程中应特别注意以下问题。

5.1测试前要正确设置仪器的各项参数，收集与测试相关的资料，剔除桩头浮浆并打磨平整干净，将传感器牢固的粘合在桩顶面合适的位置，选择材料及重量适当的激振工具，确保获得好的实测波形。

5.2注意浅部缺陷、微裂缝及桩底缺陷对实测波形的影响，根据现场各项资料充分分析，以免误判。对于含多个缺陷的桩，若上部缺陷严重，波在缺陷界面出现强烈反射，掩盖了下部桩身的缺陷反射波，使实测信号难以分辨，甚至失真，需与其它检测方法配合进行判定。

5.3注意存在的测试盲区，其深度检测准确性与激振工具、桩径、接触面刚度以及传感器的可用频响的上限等影响因素有关，该区域内的桩身缺陷无法有效检测出来，因此在检测过程中要特别注意。

5.4因受桩周土体约束、桩身材料阻尼、桩身截面阻抗变化及激振能量等因素的影响，应力波在桩内传播时能量不断损耗，最终仪器有可能识别不到桩底反射回来的信号，无法判定整桩完整性，需对检测仪器及工程实际进行分析，桩长不能超出有效检测深度。

6结束语

目前，反射波法已成为基桩普查的一种重要方法，其准确性要求更高，因此检测人员在现场测试过程中要认真收集各种相关资料，熟练掌握相关的理论知识和信号采集技术，对各种类型基桩的施工工艺要有充分的认识，不断积累工程检测经验，确保检测数据的真实可靠。

主要参考文献

[1] 《建筑基桩检测技术规范》JTJ106-2014。