反射波法检测基桩完整性要点及数据分析处理

宋丽虹

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

1 检测原理

当于桩顶垂直施加一瞬时作用力，使桩的端面质点受力产生振动，而振动的传播便形成了波，此弹性纵波就会沿着桩身进行传播。当波从一种介质进入另外一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分波被反射，反射波被置放在桩顶的传感器接收;另一部分波透射进入另外一种介质。利用应力在桩中传播，且桩身的波阻抗发生变化会产生反射的原理，通过分析反射波的幅值、相位、到达时间，可得出桩缺陷的大小、性质、位置等信息，最终对桩基的完整性给予评价:波在传播过程中，如遇到波阻抗界面，将产生声波的反射和透射，应力波反射和透射能量的大小取决于两种介质波阻抗的大小。由波动理论可知，当应力波遇到断裂、离析、缩颈底时，由于波阻抗变小，反射波与入射波初动相位同相;当应力波遇到扩颈、扩底时，波阻抗变大，反射波与入射波的初动相位反相。结合振幅大小、波速高低、反射波到达时间等可对桩的完整性、缺陷程度、位置等做出综合判断。

反射波速度—反射系数—入射波速度关系式:

其中，VR为反射波速度;VI为入射波速度;RV为反射系数;Z为波阻抗;A为桩截面积，m2;c为波速，m/s;ρ为材料质量密度，kg/m3。

2 测试要点

2.1 测试前的准备

1)收集相关资料。了解地质条件、桩型、桩的设计参数、成桩工艺或成桩质量检验等资料。

2)桩头处理。在不损坏桩头整体性的前提下，清除浮浆及未胶结好的混凝土且使桩面水平、平整。

2.2 传感器的选择与安装

1)选择。要有宽的频率响应范围、有稳定的传感性能，传感器的频响特性应能满足不同测试对象、不同测试目的的需要。当检测长桩的桩端反射信息或深部缺陷时，应选择低频性能好的传感器;当检测短桩或桩的浅部缺陷时，应选择加速度传感器或宽频带的速度传感器。

2)安装。使用黄油、橡皮泥、牙膏等粘结材料，粘结层要薄，不可采用手持方式，使传感器与桩顶面紧密接触且与桩顶面垂直，粘结点宜远离钢筋笼的主筋，避免产生干扰。传感器的耦合点及锤的敲击点都必须干净、平整、坚硬、无积水，所以在测试前应对桩头进行必要的处理——清除桩头表面的浮浆及其他杂物、在桩头打磨出两小块平整表面分别用以安放传感器、手锤敲击。妨碍正常测试的外露主筋应割掉。

使用不同的粘结材料，所获得的波形也有差异。如图1～图3所示，选用橡皮泥测得的波形曲线有较大震荡，影响检测结果的分析，黄油粘结效果则较好，牙膏次之。因此，在检测过程中应优先选择黄油作为粘结材料。

图1 使用黄油粘结

图2 使用牙膏粘结

图3 使用橡皮泥粘结

传感器在信号采集过程中不得产生滑移或松动(如图4所示为传感器安装不紧贴导致的波形变化)。

图4 传感器安装不紧贴导致的波形变化

2.3 激振

1)激振点。宜选在桩顶中心部位。

2)激振方式。以自由落体和沿桩轴向垂直敲击为宜，有利于抑制质点的横向振动。选择合适材质的锤子或力棒及合适的激振力度。根据公式可得，若检测短桩或桩的浅部缺陷，则选用硬材质榔头，获得高频波，此时波长较短，分辨率高;若检测长桩或深部缺陷，则宜选用重锤或力棒(材质相对软些)或锤垫来获得低频宽脉冲波，此时波长较长，波在传播过程中衰减慢，可收到明显的深部缺陷处或桩底反射波。因此，应根据桩的特点，激发合适脉冲宽度的入射波。有时在同一根桩上，按照不同的检测目的，需要产生不同的脉冲宽度。激振时锤子或力棒应垂直于桩面，锤击点平整，锤击干脆，形成单扰动。若现场有重型机械施工会产生振动干扰，此时不宜测试采样。

2.4 施工技术水平等因素引起桩身质量问题的波形分析

1)拔管过快或塑性土膨胀导致缩颈，出现同相反射波(见图5a))。

图5 桩身质量问题的波形分析图

2)土层出现不稳定的砂砾层、砂层、淤砂层等，易导致扩颈，出现反相反射波(见图5b))。

3)水下混凝土灌注孔较深时，不采用导管浇灌混凝土，混凝土自由下落或出现各种机械故障引起混凝土浇筑不连续，在导管中停留时间过长而卡管;导管进水造成混凝土离析，反射波形表现为波幅值降低，波形较乱，甚至找不出明显的同相和反相的子波(见图5c))。

4)桩底沉渣量过多，桩底反射波显示为同相(见图5d))。

5)灌注时间长、表层混凝土流动性差、导管埋深浅、导管提升过猛使混凝土卡管、导管严重漏水或突然停电等机械故障引起的断桩、夹泥，上部断裂往往呈高频多次同相反射、反射波频率值较高，衰减较慢;中部断裂反映为多次同相反射，缺陷的反射波幅值较低;而深部断裂波形，类似摩擦桩桩底反射，但算得的波速明显高于正常桩的波速(见图5e))。

6)桩头处理不好，表面有低阻抗桩头浮浆，致使桩头混凝土强度偏低，测试结果无法反映桩的完整性，曲线反映为入射波峰较低、脉冲较缓，且后续波形呈低频(见图5f))。

7)了解土层参数(或地质资料)，避免因地质条件变化引起的误判(见图6)。

图6 土层变化图

图7 数据分析图

3 数据分析

1)分析原始信号。初步判断桩身完整性。2)频域分析。分析桩身完整性和信号频率成分，为进一步时域分析做准备。3)深入时域分析。对信号进行如下处理，以便去掉无关信号，将桩身完整性的各种反映充分展现出来，便于准确分析。a.利用指数适度放大，设置适当的放大倍数和放大起点(见图7a))。b.滤波技术(见图7b))。c.波形处理。采用去直流、积分、设置小波因子等方式。

4 反射波法检测桩基完整性的不足

反射波法适用于混凝土灌注桩和预制桩等刚性材料桩的桩身完整性检测，不能检测水泥土等非刚性桩、混凝土竹节桩、变直径桩等。建设部JGJ 106-2003规定，对薄壁钢管桩和类似于H型钢桩也不适用。另外，低应变检测还存在以下不足:1)对小缺陷灵敏度不高。不能检测到桩底沉渣具体情况，不能提供单桩的承载力，无法对缺陷准确定性。目前根据波阻抗的变化，仅能将缺陷区分成缩颈类、扩颈类，进一步确定缺陷性质需检测经验及其他补充资料。2)对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速不准，据此计算的缺陷位置误差在10%左右。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，甚至可能得出相反的结论。如桩身渐缩后突然恢复到原截面，则可能得出桩身存在扩颈的结论。4)桩身存在多个缺陷时，深部缺陷易漏判。如第一缺陷在浅部，尚可开挖并凿去上部缺陷再进行检测，否则只能通过其他方法进一步检测。长径比超过一定限度的桩、浅部缺陷或太小的缺陷，反射波法都无法正确检测。综上所述，采用反射波法检测基桩完整性，必要时需辅以其他手段如开挖、抽芯等进一步检测、验证，如条件许可还可以根据情况做静载试验，从而在钻孔灌注桩桩身完整性判断中做到不漏判、不误判。