低应变反射波法及其在基桩完整性检测中的应用

2012-04-23张青山李亮

城市建设理论研究 2012年35期

关键词：测点桩基础传感器

张青山李亮

摘要：低应变反射波法是目前比较常用的一种基桩检测方法。文章介绍了低应变反射波法测桩的基本原理，并结合工程实例进行分析和判断。

关键词：低应变反射波法；基桩

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

一前言

基桩利用桩底的地层阻力和桩周土层的摩擦力来承受竖向荷载、依靠桩侧土层的侧向阻力支承水平荷载，能将上部结构的荷载传递到深部较硬的、压缩性较小的土层或岩层，其结构稳定性、抗震性较好，因此桩基础是各类建筑物常用的基础形式。随着我国基础建设的迅猛发展，铁路、公路、港口码头等工程设施的不断兴建，桩基础的应用日益广泛。建筑物或构筑物的长期稳定及安全与桩基础密切相关，而桩基础属隐蔽工程，为了保证桩基础的安全、可靠，质量检测至关重要。目前，我国基桩桩身完整性检测的方法较多，其中低应变反射波法以其设备轻便、费用经济、操作快捷、结论准确而被广泛应用。本文简述了低应变反射波法的检测原理，并列举几例用低应变反射波法对实测桩信号分析判断的实例。

二基本原理

低应变反射波法是以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础的。将桩身假定为一维弹性杆件（桩长>>直径），在桩顶锤击力作用下，产生一应力波沿桩身向下传播，当遇到界面缺陷或桩身波阻抗Z变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。安装在桩顶上的传感器，将接收到来自桩身各个波阻抗Z变化界面处反射上来的信息，根据记录到的信息，通过时域分析、频域分析和阻抗分析等，从而判断桩身混凝土的完整性、缺陷的程度及其在桩身中的位置。并可根据桩底反射信号，计算整桩平均波速。桩身波阻抗Z由桩的横截面积A、桩身材料密度ρ、纵波速度C等决定，如式（1）。

Z=ρCA（1）

假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗Z1=ρ1C1A1，下部波阻抗Z2=ρ2C2A2。当Z1 =Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷；当Z1 >Z2时，表示在相应位置存在缩颈或混凝土质量缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致；当Z1

当桩身存在缺陷时，根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t和桩身传播速度C来推算缺陷位置Lx，如式（2）[1]。

Lx=△tC/2 （2）

三现场检测及应注意的问题

1、检测前的准备工作

（1）收集相关技术资料

首先收集现场地质资料、设计桩长桩径及承载力、混凝土强度等级、成桩方式以及施工记录等。这些技术资料一方面是出具报告的依据；另一方面，更重要的是，为数据分析提供参考，特别是能否正确判断地质资料、施工记录中存在的异常情况等对波形信号产生的影响，会对判定结论的准确性产生重要影响。

（2）桩头处理和打磨

在现场信号采集工作中，桩头的处理是测试成功的必要条件之一，是影响低应变完整性检测的一个重要外部因素。

桩头上部的散碎部分或浮浆，往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲，测得的信号不能真实反映桩身完整信息。一般情况下，检测前，桩头必须裁至设计标高，应凿除全部浮浆，去除松散、破碎的部分，露出密实的混凝土面，并大致平整桩头再进行打磨。另外使用风镐破除桩头接近设计标高时，应避免破除过深，导致个别打磨点处混凝土不密实或破碎。

桩头处理到设计标高后，根据桩径在桩头位置打磨测点和激振点，其中激振点位于桩的中心点，测点距桩中心2/3半径处，在桩顶面均匀布置，测点和激振点均要打磨平整，桩头打磨点位见图1所示。边上的三个打磨点（测点）要距离钢筋笼10cm以上，以减少钢筋笼对测试信号的影响；打磨点可为圆形、椭圆形或长条形。不宜出现打磨点过小、打磨面倾斜、打磨面不平、打磨点数不足或点位在桩头分布不均的情况。桩径≥1.5m时，应适当增加打磨点数量。检测前应将桩头清理干净，打磨点位置无泥砂、积水，施工承台垫层时注意不要让垫层混凝土污染桩头，外露钢筋应不影响检测操作，深基坑有积水时要做好排水、抽水措施。

2、现场检测

（1）设备的调试和安装

检测时，应确保仪器设备在标定期限内，仪器工作正常，仪器各种参数设置正确，传感器及连接线工作正常。

传感器的安装对现场信号的采集影响较大，理论上传感器越贴近桩面、与桩面之间接触刚度越大，质点振动的传递特性就越好。对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3半径处；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，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。传感器的安装必须通过藕合剂与桩顶打磨面（测点）粘接。要注意控制耦合剂的使用剂量，太少粘贴不牢导致波形震荡明显，太多会导致部分有效测试信号被耦合剂吸收，都不利于对波形信号的分析判断。

（2）激振系统的选择及对测试信号的影响

低应变检测应根据不同桩长、不同地质情况、缺陷不同深度情况等选择合适的锤击力棒（力锤）、锤击材质、锤击力量、锤击距离等。

一般情况，锤击能量越小、接触材质越硬，锤击产生的应力波高频成分越多，反之，低频成分越多。

高频波分辨率高，对缺陷部位更敏感，但随桩长传播时，衰减较快；而低频波分辨率较低，但能传播较长的距离。为此，原则上，为了对缺陷部位明察秋毫，只要应力波能在桩长范围内有效传播时，我们应尽量选择高频锤击系统。但应力波如频率过高，一些轻微的、非缺陷因素引起的桩阻抗的变化，都将会产生反射波；不同部位，不同性质的反射波、二次反射波、甚至多次反射波叠加在一起，将会使信号趋于复杂，甚至无法判断。

因此，我们选择锤击系统，应遵循以下几个原则：

①在应力波能在桩长范围内有效传播，且整桩反射波信号较为清晰的前提下，尽量选择高频锤击系统。

②对于较长桩，高频无法传播到桩中下部时，应适当提高锤击能量，增大锤击接触面积，激发更多低频波，以检测桩中下部完整性。

③对于浅部有疑似缺陷的桩，特别是桩顶一米左右范围内的缺陷，应单独选择能激发更高频率的锤击系统，以准确检测到缺陷位置和缺陷程度。

图1是锤击能量较小，导致应力波在桩中下部传播很微弱。

图1

图2和图3是同一根桩选用不同锤击系统所采集到的信号。开挖证明，该桩存在浅部缺陷。

图2

图3

图4和图5也是同一根桩选用不同锤击系统所采集到的信号。图4可以初步判断该桩浅部存在缺陷，图5可以准确定出缺陷位置。

图4

图5