低应变反射波法的桥梁桩基检测实例分析

赵 磊

(山西长治公路勘察设计院，山西长治 046011)

0 引言

我国土木工程中桩基础应用十分广泛，桩基础的质量关乎整体工程质量。对混凝土灌注桩的质量检测，主要检测桩身完整性与桩身承载力。随着我国大跨桥梁的大量修建，桥梁桩基础混凝土灌注桩桩身完整性检测意义变得日益突出，本文即是讨论应用低应变反射波法进行桥梁桩基检测。

低应变反射波法一般是通过桩顶激振，测量桩速度时程曲线，应用一维波动理论进行时频域分析来考察桩身质量。该方法不需要预先埋设声测管，现场进行的工作量小，数据处理快速，检测成本低，效率高。李向翠介绍了一种快速、有效的反射波法，从检测原理到结合工程实例，阐述了在桩身检测中的应用［1］;陈凡计算了不同点激励速度风致时间差的关系式，并从振型的角度解释了管桩顶面不同检测点处高频干扰随加载脉冲变宽时的衰减现象［2］;周佳光阐述了低应变动测对缺陷探测时存在相互依赖以及在检测中应注意的方面［3］;吴庆曾阐述了一维杆件中反射波理论依据，说明了桩产生缺陷的多重因素及完整性检测的必要性［4］;程建国论证了不同桩基可能出现的缺陷特征是不同的［5］;朱俊针对不同工程实例，分别将声波透射法、低应变法与钻心法进行了综合对比，分析了三种方法的各自优缺点［6］;柯宅邦建立了更符合工程实际的桩土系统瞬态振动计算模型，利用有限差分法计算了完整桩在瞬态轴向力作用下的动力响应，比较了三维和一维桩顶轴向速度响应的差别，分析表明相对激振半径、桩周土剪切波速是影响三维效应的重要因素［7］。

本文结合某桥梁桩基础工程实例，对试验数据和检测结果进行对比分析，明确低应变反射波法检测方法的优势所在和不足之处。

1 低应变反射波法基本原理

低应变反射波法理论基础是应力波在桩身中的传播反射行为。此方法的前提假定桩为连续弹性的一维均质杆，同时忽略桩周土对应力波的影响。

理论假定:1)各向同性均匀材料;2)等截面直杆;3)平截面假定;4)应力均匀分布;5)不计横向惯性效应。

假定桩身变形前的初始截面面积A、密度ρ、弹性模量E等参数均为坐标的函数，直杆各截面沿轴向的纵向振动位移表示为u(x，t)。由达朗伯原理可以求出杆微元dx的运动微分方程为:

其中，c2=E/ρ，为纵波沿直杆的传播速度。

可以通过时域与频域方法对式(1)进行求解，具体过程可以参考相关文献。

2 实例分析

2.1 工程简介

当前低应变反射波法在全国应用都比较普遍，往往作为超声波法的辅助手段。由于地质条件、桩长、桩径等等影响因素，该方法的检测结果离散度比较大。本文以某在建桥梁的11根代表性基桩检测工程为研究背景，通过对检测数据的分析，进一步总结这种方法在基桩完整性检测中的应用。由于当地岩石风化严重，桩周土土质较差，低应变反射波法检测数据受桩周土地质影响较大。该11根基桩均为摩擦桩，旋挖机钻孔灌注桩，基桩编号按照检测顺序依次编号，桩长从16.00 m～40.00 m不等，桩径范围为1 200 mm～1 800 mm，混凝土强度均为C30，基本情况如表1所示。

2.2 检测结果

经检测最终评定为1号，2号，3号，4号，6号与11号为Ⅰ类桩，5号为Ⅱ类桩，9号和10号为Ⅲ类桩，7号和8号为Ⅳ类桩，下面分别以1号，6号，5号，9号，10号和7号基桩检测数据为例进行低应变反射波法的基桩质量评定。

1号桩桩底反射信号明显，1.5 m桩身处有类似缩颈信号，混凝土波速偏低，疑似缩颈。后经挖检发现此处是由于桩头扩径后渐变恢复正常桩径所致，即通常认为的“大头桩”。混凝土波速略低于正常范围，原因是实际桩长略大于设计桩长。

表1 基桩基本情况

6号桩底无明显反射信号，无法检测缺陷，混凝土波速正常。此桩较长且桩径较大，低应变法有时难以获得桩底反射波，此时可以采用大重量尼龙锤等进行激振，以获得窄脉冲低频信号，可以改善此类情形。所以对较长桩，低应变反射波法检测有效性受限。

如图1所示，5号桩桩底无明显反射信号，桩身在8.7 m处有明显缩颈信号，混凝土波速处于正常范围。但是当用超声波透射法复测发现，8.7 m处正常，12.3 m处混凝土离析。应变反射波的缩颈信号应该是因为桩身在8.7 m以上为渐变扩径，在8.7 m处恢复原直径所致。同时低应变法没有发现12.3 m处混凝土离析病害。

图1 5号桩低应变反射波法波形

9号桩底有轻微反射信号，桩身在13.6 m，21.8 m处均有缩颈信号，混凝土波速处于正常水平。但是当用超声波透射法检测结果发现，桩身不但在13.6 m，21.8 m处异常，而且在9.0 m 处PSD值异常，初步认为13.6 m处附近有厚约24 cm的夹泥，9.0 m处混凝土轻度离析。

10号桩底无明显的反射信号，混凝土波速处于正常区间，桩身在2.8 m处有轻微的缩颈信号。但是当用超声波透射法检测，显示结果为，在1.8 m处声速与波幅值明显低于临界值，波形异常，22.5 m处波形异常，有少量的夹泥。两种方法的检测结果差距比较大。

7号桩底无反射信号，桩身在17.5 m处有明显缩颈信号，混凝土波速处于正常范围，但是当用超声波透射法检测，显示结果为，在28.6 m处存在厚约30 cm的夹泥(基本属于断桩)。低应变反射波法只能发现17.5 m处存在缩颈信号，而且无法确定缺陷的具体类型及严重程度，对于28.6 m处的缺陷和桩底沉渣则因能量衰减等原因无法发现，由此可见单独使用低应变法检测很容易因漏检严重缺陷而发生质量事故。

2.3 有效检测桩长分析

一般情况下，桩长是已知确定性参数，但极端情况下，受地质条件、施工等因素的影响，存在着实际桩长与设计桩长不相符的情况，使得桩底反射波速受影响。若用设计完整桩长的波速平均值来反算桩长(一般对于 C30混凝土，波速合理正常范围为3 700 m/s～4 000 m/s)，如此以来桩长反算结果可能会超过原始设计桩长的10%。所以通常情况下，不适合用低应变反射波法来测定桩长，也不适合给出具体检测桩长，但是通过对比已知桩长能够确定低应变放射波法检测的有效桩长。

表2中，实际桩长均由超声波透射法的实检桩长给出，较为准确可靠，通过对比低应变法桩底反射信号就可以确定低应变法能够检测的有效桩长。由表2可知，对于桩长不小于39.5 m的6号桩和5号桩，桩底已无反射信号，忽略地质差异因素，可以谨慎的认为低应变反射波法不适宜检测桩长超过39.5 m的基桩。

表2 有效检测桩长分析

2.4 检测结果准确性分析

综合对比低应变法检测结果与超声波法检测结果，可以判定低应变法检测结果的可靠性，选取有代表性的5根基桩，两种方法的检测对比结果见表3。由表3可知，低应变反射波法对浅部缺陷大多比较灵敏;由7号桩检测结果可知，对于多缺陷桩，低应变反射波法有可能检测到较浅的一个，对于较深的第二个缺陷或深部缺陷或许难以有效检测;8号桩的检测结果表明，对位于桩身10.7 m深的严重夹泥缺陷(大约厚15 cm～25 cm)反射信号不够明显，可靠性不够;9号桩的检测结果表明，对于多缺陷桩，在某些情况下，也可以检测到较深的第二个缺陷，由此可见不连续界面(加泥、孔洞等桩身缺陷)并非消耗下行传播波能量的唯一因素;同时发现5号桩与10号桩的两种方法的检测结果有出入。通过以上对比分析发现，低应变法检测结果尚不尽理想，可靠性略低，目前一般作为与超声波法检测对比的辅助手段。

表3 缺陷检测的准确性分析

3 结语

本文结合某在建桥梁的基桩检测工程实践，通过对11根典型缺陷桩使用低应变反射波法进行检测，得出以下结论:

1)低应变反射波法存在有效检测桩长，本文地质与桩径等条件下，低应变法适宜检测桩长不超过39.5 m。

2)通常情况下，低应变反射波法对于浅部缺陷较灵敏，但是对于广义的缩颈信号，无法单独判断其具体缺陷类型和严重程度。低应变反射波法通过测量桩速度时程曲线，可以简便快速和相对准确的来考察桩身质量。

3)为提高低应变放射波法检测结果的可靠性，避免基桩检测中缺陷漏检或判定困难，建议与超声波透射法等其他有效检测方法配合使用。

［1］李向翠，陈国勇.反射波法在基桩完整性检测中的应用［J］.地震灾害与环境保护，1999，10(3)：48-56.

［2］陈 凡，罗文章.预应力管桩低应变反射波法检测时的尺寸效应研究［J］.岩土工程学报，2004，26(3)：353-356.

［3］周佳光.桩基缺陷检测中应该注意的几个问题［J］.公路交通技术，2005(2)：78-81.

［4］吴庆曾.论基桩完整性检测技术［J］.物探与化探，2000，24(4)：284-295.

［5］程建国，傅树之.桩基完整性检测中的若干问题［J］.平原大学学报，2004，21(3)：23-24.

［6］朱 俊.桥梁基桩内部缺陷检测方法对比研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［7］柯宅邦，刘东甲.低应变反射波法测桩的轴对称问题数值计算［J］.岩土工程学报，2006，28(12)：2111-2115.