低应变反射波法在钻孔灌注桩检测中的应用

邱奕超，郭德顺，钟文衡

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.广东省工程勘察院实验与物探测试中心，广东 广州 510510）

0 前言

桩基属地下隐藏工程，无法采用简单、直观的方法对其质量进行检测，桩基常会出现缩颈、断裂、夹泥、沉渣，若受地下水等因素影响，还会表现为混凝土密实性差、或骨料、水泥砂浆相对集中等诸多质量问题，因此在实际的检测过程中应格外小心。目前低应变反射波法被广泛的用于工程基桩的桩身完整性检测，它是基于应力波理论通过研究桩土体系的动态响应，分析实测波形的特征来判断桩身完整性类别、桩身缺陷位置及缺陷程度、嵌岩桩桩端嵌固质量情况。设备轻便，方法快速、可靠、经济，对场地的要求小，可对工程桩进行快速普查[1]。

1 基本原理

低应变反射波法是假设桩为等截面的细长杆，四周无侧助力作用，顶端受激振力或其他振动形式的冲击后，冲击能量都以应力波的形式沿桩身传递，传递过程是以一维波动方程为数学模型[2]。且杆件截面变形仍然保持平面，杆件变形与受力成正比，由振动理论基础得知，桩体纵向振动的微分方程为：

其中，u为桩身在x方向上的位移，C为应力波沿桩身的传播速度，C=，E为材料弹性模量，ρ为介质密度。

其桩身波阻抗，纵波波速及缺陷位置的计算表达式为：

基中Z为桩身波阻抗，S为桩身横截面面积，L为桩长，t为桩底反射波双程旅行时间，L'为桩身缺陷位置，t'为缺陷处反射波双程旅行时间。

值得注意的是，波速由实测值决定，通常实测的波速是桩的平均波速，缺陷位置的波速一般大于平均波速，因此，确定缺陷位置时要适当考虑这一因素的影响。设桩在某截面处其阻抗发生变化，变化前后的阻抗分别为Z1和Z2，如下式。

其中，ur为入射波位移，u0为反射波位移，a=Z2/Z1。

由式（5）可知，在t=2L/C时间内，当桩身阻抗由大变小时，a＜1，入射波与反射波同相。当桩身阻抗由小变大时，a＞1，入射波与反射波反相。当桩身阻抗无变化时，a=1，反射波为零，即不存在反射现象。实测中，要根据实测桩身阻抗波形曲线变化情况，再结合式（2）判断桩身的缺陷性质[3]。

2 检测实例

某工地工程桩为φ800～φ1500钻孔灌注桩，桩端持力层为中风化花岗岩，入岩为1D，设计桩身混凝土强度等级为C25。按规范要求对该工地43根桩进行低应变反射波法检测，检测时桩砼龄期已达到28天，经对动测波形分析后，发现正常桩桩端反射不明显（见图1），并有一定数量的桩，均存在不同程度不同类型的缺陷，经建设方同意，决定对几根初判为有缺陷的桩进行钻芯法检测核验。

图1 1#桩实测曲线图Fig.1 Measured curve of 1#pile

各类缺陷或桩底产生的反射波，究其原因是由于桩的波阻抗，桩身截面积S或介质密度ρ产生变化引起的。

（1）桩底持力层软弱基岩引起缺陷，其地质性状未达设计要求

经检测发现3#、4#、5#桩，其桩端反射为单一同相反射，且其桩端反射波幅相对较大,尤其是5#桩（见图2），初步推断桩端嵌岩质量有问题。

抽芯结果显示：3#桩抽芯检测桩长21.76 m。4#桩抽芯检测桩长22.00 m，桩底为半岩半土状软弱的强风化花岗岩。5#桩抽芯检测桩长21.90 m，桩底为土柱状软弱的全风化花岗岩。

由于桩底持力层强度变软，材质ρ变小，波速c变小，则波阻抗明显变小，产生同相反射。且桩底持力层岩性强度越小，桩底反射应相对明显，反射波幅应相对明显。

图2 3#、4#、5# 桩实测曲线图Fig.2 Measured curves of 3#,4#,5#piles

（2）桩底混凝土松散引起缺陷

经检测发现16#桩，其桩端反射为单一同相反射，且其桩端反射波幅相对较大，初步推断桩端嵌岩质量有问题（图3）。抽芯结果显示：16#桩桩底（24.45～24.67 m）有22cm一段砼芯只见散块状粗骨料，未见水泥砂浆胶结。由于桩底松散，波速c变小，则波阻抗变小，产生同相反射。

（3）桩底沉渣引起缺陷

经检测发现15#、19#、22#、32#、33#桩，其桩端反射为单一同相反射，且其桩端反射波幅相对较大，初步推断桩端嵌岩质量有问题 (图4）。

图3 16#桩实测曲线图Fig.3 Measured curve of 16#pile

图4 15#、19#、22#、32#、33# 桩实测曲线图Fig.4 Measured curves of 5#,19#,22#,32#,33#piles

抽芯结果显示：15#桩抽芯检测桩长25.60m，见沉渣3cm。19#桩抽芯检测桩长23.91m，见沉渣5cm。22#桩抽芯检测桩长24.46m，见沉渣4cm。32#桩抽芯检测桩长23.10m，见沉渣4cm。33#桩抽芯检测桩长21.91m，见沉渣5cm。

桩底沉渣过厚，相当于材质ρ变小，波速c变小，则波阻抗变小，会产生同相反射。且桩底沉渣越厚，桩底反射应相对明显，反射波幅应相对明显。

（4）桩身夹泥引起缺陷。

经检测发现10#桩，除了其桩端有一同相反射外，持力层基岩软弱引起，且桩身中段亦有一相对较弱的同相反射，初步推断桩中段应有质量问题（图5）。抽芯结果显示：10#桩在13.05～14.50m处有1.45m一段砼胶结较差且夹泥。桩身夹泥，相当于材质ρ变小，波速c变小，则波阻抗变小，会产生同相反射。

图5 10#桩实测曲线图Fig.5 Measured curve of 10#pile

3 结语

对于嵌岩桩，当桩端反射信号为单一反射波且与锤击脉冲信号同相时，应结合岩土工程勘察和设计等有关资料，以及结合桩端同相反射波幅的相对高低来综合判断嵌岩质量，必要时应采取其它合适方法（如钻芯法）进行核验，以确保桩基础工程的安全性[4]。

桩身夹泥缺陷，表现为桩身反射信号波幅虽不高且较平坦，但波幅较宽，这时应引起注意是否存在夹泥等较严重的缺陷。

钻孔灌注桩常会出现缩颈、断裂、夹泥、沉渣、砼胶结差骨料松散等诸多质量问题，若受地下水等因素影响，还会表现为混凝土密实性差、或骨料、水泥砂浆相对集中等现象， 因此在实际的检测过程中应格外小心，充分利用各种资料进行综合判断。

[1]涂伟荣，谭平，周福霖，等.房屋建筑抗震易损性分析方法研究综述[J].华南地震，2011，31（1）：47-54.

[2]王辉鹏.反射波在基桩完整性检测中的应用[J].工业建筑，2006，36：817-818.

[3]张冬美.低应变反射波法在桩基检测中的应用[J].山西建筑，2010，36（6）：118-119.

[4]李五库.反射波法在桩基完整性检测中的应用[J].山西建筑，2007，33（35)：143.