谈低应变反射波法在基桩检测中的应用

2013-08-15邱丽章

山西建筑 2013年6期

邱丽章

(汕头公路工程质量监督站，广东汕头 515041)

桩基础具有承载能力大、抗震性强、沉降量小等优点而广泛应用于桥梁工程中，它能有效地将桥梁自重及其所受荷载通过桩土间的共同作用传递到桩周和桩底岩土中。桩基础质量的好坏对结构安全起到至关重要的作用，但由于桩基础属隐蔽工程，质量控制具有不确定性，工程上必须高度重视对其质量的检测。低应变法反射波法在各种桩基完整性检测方法中具有检测快速、高效、成本低廉及设备轻便等优点而得到了广泛应用，它是以一维波动理论为理论依据。

1 低应变反射波法的原理

一维弹性杆平面应力波波动理论是低应变反射波法的理论基础，它将桩假定为一维细长弹性杆，当桩顶面受到纵向力锤击时，根据牛顿第二定律及虎克定律可得桩的纵向波动方程其中，C为纵波波速(E为杨氏模量，ρ为密度)

当应力波沿桩身传播遇到不同阻抗分界面时，会产生反射与透射，根据应力波理论和牛顿第三定律可得vI+vR=vT，A1(σ1+σR)=A2σT，根据波阵面上动量守恒条件有 Z1(vI－vR)=Z2vT，其中，分别以下标I，R，T表示入射波、反射波及透射波，v，σ分别为应力波质点振动速度和应力，由上述方程联解可得vR=－FvI，vT=TvI，n= ρ1C1A1/ρ2C2A2，F=(1 － n)/(1+n)，其中，F 为反射系数;T为透射系数;ρCA为广义波阻抗。

根据以上原理可以得出桩身完整性的判别标准:

1)完整桩:由于桩身不存在阻抗有变化的区域，即ρ1C1A1=ρ2C2A2，n=1，F=0，被测波形中只有桩底反射信号无缺陷反射信号。当桩基为摩擦桩时，由于桩身材料的ρ1C1远大于桩底持力层的 ρ2C2，则 n＞1，F ＜0，vR＞0，可得反射波与入射波同相位;当桩基为嵌岩桩时，由于桩身材料的ρ1C1远小于桩底基岩的ρ2C2，n＜1，F ＞0，vR＜0，可得反射波与入射波反相位。

2)扩径类桩:由于 ρ1C1A1＜ ρ2C2A2，则 n ＜1，F ＞0，vR＜0，反射波与入射波反相位。

3)缩径类桩:包括缩径桩、离析桩和断桩，由于 ρ1C1A1＞ρ2C2A2，则 n ＞1，F ＜0，vR＞0，反射波与入射波同相位。

因此，可以利用反射波与入射波的相位情况及幅值的相对高低来评价桩身完整性，通常认为如果缺陷处有同向反射信号且反射波幅值愈高，那么缺陷就愈严重。本文主要探讨了反射波法现场检测时应注意的几个问题以及对反射波法的一些认识。

2 现场检测中应注意的问题

要想准确地对桩身质量进行评定，首先要保证采集到的信号是优质信号。好的波形有以下特点:波形真实反映桩的实际情况，有明显或较明显的桩底反射波或有明显缺陷反射;多次锤击的波形重复性好;波形光滑，无干扰信号，不包含毛刺或振荡波形;信号回零，波形最终回归基线;起始信号不削波。所以现场检测应排除各种干扰因素，直至采集到有效、高质量的波形。

1)桩头处理。首先，受检桩检测时混凝土强度应至少达到设计强度的70%，且不少于15 MPa。其次，受检桩应凿除桩头至设计标高，且凿去全部浮浆，露出坚硬密实的新鲜混凝土，桩顶面基本平整，打磨位置平整光滑。如果桩头浮浆未清除干净或桩头混凝土质量差，通常情况下得到的是振荡波形曲线，严重影响测试信号的真实性，从而导致误判。最后，桩顶外露自由端钢筋不宜过长，在锤击力作用下自由端钢筋容易产生谐振，使反射信号叠加上自由端钢筋的谐振信号，从而导致误判。2)传感器的安装。传感器应垂直的安装在平整的打磨点上，所使用的耦合剂应尽可能薄，同时应保证传感器与桩身具有足够的耦合刚度;对于实心桩，传感器安装点位于距桩中心约2/3半径处，对于空心桩，传感器安装点与锤击点夹角约为90°。3)力锤的选择和激振方式。不同材质和重量的锤，敲击产生的入射波其脉冲宽度和频率成分各不相同，而脉冲宽度和频率成分对缺陷深度及其程度的识别精度是不同的。锤头质量较大或刚度较小时，冲击入射波脉冲较宽，以低频成分为主，应力波传播距离较远，但对缺陷的分辨率较低，适用于测长桩或对中下部缺陷的识别。锤头较轻或刚度较大时，冲击入射波脉冲较窄，含高频成分较多，能提高对缺陷的分辨率，适用于桩身浅部缺陷的识别。通常，测短桩或浅部缺陷应采用质量轻、锤头较软的小锤，测长桩或深部缺陷应采用质量大、锤头较硬的大锤。

选择好激振锤后，应正确把握好激振的方法，方能采集到高质量的波形。把握好激振方法，要特别注意以下两点:1)敲击力要铅直集中，尽可能使振动模式单一。2)激振能量要适当，通常在能看到桩底反射波的前提下尽量小，尽量减少桩周土体参与振动，以减少对波形干扰。

3 反射波法检测桩身质量的几点认识

1)桩身混凝土强度与波速。虽然混凝土的弹性波速与其强度是正相关的，但并不是简单的线性对应关系，影响波速的因素有骨料的品种、混凝土的配比、入射波频率和桩周土的影响、桩身是否存在缺陷等。因此，利用反射波法推定桩身混凝土强度是不科学的，但通过对同一工地甚至是同一地区的桩基进行大量的比对分析，就能获得有规律的资料，可根据波速对桩身强度做出定性判断。当实测波速明显比同一工地桩基平均波速偏低或偏高，应引起检测人员的高度重视，因为这很可能显示桩身混凝土强度不足、桩长不够或者桩身下部存在严重缺陷。例如某桥梁工程，桩身强度等级为C25，该工地桩基平均的正常波速为3 800 m/s～4 000 m/s左右，但检测发现有两根桩波速明显偏低，只有3 300 m/s左右，怀疑桩身混凝土强度不足，后来通过抽芯取样进行抗压强度试验，结果证明两根桩混凝土强度不合格。

2)测试盲区与浅部缺陷。桩顶以下2 m左右深度范围内是低应变反射波法的测试盲区，在测试盲区应力波传播复杂，不满足平面波假设，信号干扰大，如果盲区内存在缺陷，由于激振脉冲有一定的宽度，则在脉冲宽度内，应力波遇到缺陷产生的上行反射波信号，将与能量较大的入射波重叠在一起，实测波形可能会出现振荡信号或者因冲击脉冲掩盖浅部缺陷反射波造成漏判。由于在桩基工程中经常遇见桩身浅部缺陷，从桩身轴力传递规律可知，该类缺陷位置浅，在荷载作用下最易发生材料破坏，因此对工程质量危害极大。

通常浅部缺陷有以下三种典型波形:大低频信号、明显的周期反射波形、大低频叠加周期反射波形，这是明显的缺陷提示。另外，如果入射脉冲较宽，或首波为非半正弦波或呈明显不对称半正弦波，此时应当怀疑是浅部缺陷反射波与首波叠加造成的。

对于桩身浅部缺陷，可能因入射信号掩盖桩顶附近的缺陷反射信号而导致对缺陷的漏判，如何避免这种情况的发生。首先，可以选用灵敏度高、高频性能好、阻尼比恰当的加速度传感器来提高对桩身浅部缺陷的分辨率。其次，现场检测时，可以通过降低敲击力度、增大锤头硬度、减小锤体质量以及在桩顶选择坚硬部位敲击等措施来增加激振信号的高频成分，可以有效提高盲区内缺陷的识别精度，例如使用能产生较高频率脉冲的脆性尼龙手锤，甚至是钢筋头进行轻敲，可以很好地分辨出浅部缺陷。

3)桩周土的影响。由于桩周土对桩身中应力波的传播具有阻力作用，桩身应力波所到之处激发出的土阻力波能引起桩身质点反向振动，从而使应力波发生指数衰减。因此，利用反射波幅值进行缺陷定性分析会使误差增大，应力波衰减严重时可能会导致对桩身质量的误判。

实践证明，不同的土层状况对波形影响各不相同，土层性质对桩中波传播特性的影响很大。当软弱土层中存在坚硬土夹层时，波形曲线在坚硬土层位置会出现反向反射信号，容易得出扩颈的错误结论;当较坚硬土层中存在软弱土夹层时，波形曲线在软弱土层位置会出现同向反射信号，容易得出缺陷的错误结论。因此在检测过程中要根据实测波形和工程经验，结合桥梁结构的特点、对桩基受力的要求、地质资料、施工记录、成桩工艺等方面进行综合分析评定。