人工挖孔桩低应变反射波法完整性检测的局限性研究

，，

(1.中南大学 a.有色金属成矿预测教育部重点实验室；b.地球科学与信息物理学院，长沙 410083;2.中国人民武装警察部队 水电第七支队，江西 鹰潭 335000)

1 检测原理及发展现状

低应变反射波法理论基础为一维弹性杆纵波理论[1],其操作简便，成本低廉，能有效地判断桩身完整性类别或局部缺陷，是目前应用最广泛的基桩完整性检测方法之一，但其仍具有不容忽视的局限性，会致使检测结果出现误判。对国内外低应变反射波法完整性检测的发展现状进行调研发现，目前对低应变完整性检测的局限性所做的研究主要集中于尺寸效应，而对于在自身成桩工艺和桩周地层的综合影响下的局限性少有探讨。在不同地质条件下实际检测发现，桩周复杂多变的地层条件往往对基桩完整性检测有着不容忽视的影响，而且这种影响也是非常复杂的。人工挖孔桩是我国应用最广泛的一种桩型，由于自身成桩工艺，其护壁对桩身质量和桩身承载力有着关键的作用，又在桩周地层的影响下，人工挖孔桩低应变反射波法完整性检测的局限性更为凸显。所以探讨人工挖孔桩低应变反射波法完整性检测的局限性，可以为未来同类型桩的低应变完整性检测提供参考和经验，进一步完善低应变反射波法完整性检测，提高其准确率。

图1 弹性波在波阻抗变化界面的透射和反射

弹性波在桩身中传播，当桩身存在明显的波阻抗界面时，便会产生反射波[2]。从桩身中反射回来的反射波是低应变反射波法判断桩身质量的依据，所以分析反射波性质是低应变反射波法至关重要的一步。当弹射波传播至2种介质的界面，且这个界面存在明显的波阻抗差异时，会产生一个扰动，这个扰动会分别向2种介质中传播，形成反射波和透射波[3],如图1所示。

根据界面处连续条件，得到力平衡和速度平衡方程：

FI+FR=FT；

(1)

VI+VR=VT。

(2)

式中：FI,FR,FT为反射界面处的质点力；VI,VR,VT为反射界面处的质点的运动速度，I，R，T分别表示入射波、反射波和透射波。

应力波作用下，质点的运动速度V与应力σ的大小和材料性质的关系式如下：

V=σ/ρc=F/ρcA。

(3)

由式(3)易得

|F/V|=ρcA=EA/c=Z。

(4)

式中：F为桩身受力；V为质点的运动速度；Z为桩身截面的力学阻抗；ρc为桩介质波阻抗；E为介质的弹性模量。

由式(1)至式(4)可得，波阻抗明显变化界面处的反射波和透射波分别引起的质点运动速度如下：

VR=V1(Z-Z′)/(Z+Z′) ；

(5)

VT=2V1Z/(Z+Z′) 。

(6)

式中：Z,Z′为桩身不同波阻抗处的力学阻抗。

将式(5)除以VI得到：

K=(Z-Z′)/(Z+Z′)=

(ρcA-ρ′c′A′)/(ρcA+ρ′c′A′)。

(7)

式中：K为反射系数；ρcA为桩身混凝土广义波阻抗；ρ′c′A′为桩身缺陷或桩端持力层的广义波阻抗。

式(7)即为低应变反射波法检测桩身完整性时对反射信号进行分析判断的重要依据。若所检测桩身完整，不存在波阻抗差异，检测仪器所接收到的反射波基本上是从桩底反射上来的。若桩身存在波阻抗差异，由式(7)可知，K值会在0～±1内变化，且K≠0，可以得出如下结论：

(1) 当K>0时，反射波与初始入射波同相，如A≠A′，那么ρc>ρ′c′，说明桩身离析、夹泥、断裂，或桩底波阻抗相对减小；如ρc=ρ′c′ ，那么A>A′，说明桩身存在缩颈部位。

(2) 当K<0时，反射波与初始入射波反相，如A≠A′，那么ρc<ρ′c′，波阻抗相对增大，说明桩身强度开始增大或者桩身开始嵌岩；如ρc=ρ′c′，那么A

2 现场试验

本试验对湖南省某电厂基桩工程的人工挖孔桩进行了低应变反射波完整性检测。

2.1 应力波在桩身中波速和桩身缺陷位置的确定

受检测桩桩长L已知，桩底反射信号明确，速度波第一波峰和桩底反射波峰之间的时间差 (如图2所示)可直接读取，桩身波速值可按下式计算:

(8)

图2 缺陷桩的典型低应变时程曲线

则桩身缺陷位置可采用下式计算：

(9)

式中：X为桩身缺陷位置到传感器安装点的距离；Δtx为速度波第一波峰和缺陷反射波峰之间的时间差(见图2)；c为受检测桩的桩身波速度。

2.2 检测验证结果

对低应变测试数据采集的若干要点进行了分析和总结，安装传感器前处理桩头，正确安装传感器，正确进行激振操作，合理设定测试参数，并排除人为操作不当或数据、曲线分析不准确对本次试验所造成的干扰，对所采集的合格曲线进行正确的分析，从而实现了利用低应变反射波法对测试曲线表现为若干复杂形态的某电厂人工挖孔桩的桩身完整性类别进行判断。通过钻芯验证以及结合工程地质资料和施工资料，对同一场地基桩检测结果进行对比分析，并参考规范[4]中的规定，最终对该电厂的若干基桩的桩身完整性进行了正确判断。这些基桩的桩身完整性综合判定如下所示:

(1) 信号楼D9#基桩，桩径800 mm，桩长11.40 m，混凝土强度等级C25，桩身低应变完整性为Ⅱ类，钻芯法完整性为Ⅰ类，装身质量综合判定为合格。

(2) 2#锅炉房16#基桩，桩径1 200 mm，桩长20.70 m，混凝土强度等级C30，桩身低应变完整性为Ⅱ类，钻芯法完整性为Ⅰ类，装身质量综合判定为合格。

(3) 2#锅炉房3#基桩，桩径1 200 mm，桩长17.10 m，混凝土强度等级C30，桩身低应变完整性为Ⅲ类，钻芯法完整性为Ⅰ类，装身质量综合判定为合格。

(4) 2#锅炉房46#基桩，桩径1 200 mm，桩长17.70 m，混凝土强度等级C30，桩身低应变完整性为Ⅲ类，钻芯法完整性为Ⅰ类，装身质量综合判定为合格。

(5) 烟囱28#基桩，桩径1 000 mm，桩长13.50 m，混凝土强度等级C30，桩身低应变完整性不确定，钻芯法完整性为Ⅰ类，装身质量综合判定为合格。

(6) 1#锅炉房14#基桩，桩径1 200 mm，桩长28.40 m，混凝土强度等级C30，桩身低应变完整性不确定，钻芯法完整性为Ⅰ类，装身质量综合判定为合格。

(7) 铁路桥2-1#基桩，桩径1 500 mm，桩长20.30 m，混凝土强度等级C25，桩身低应变完整性为Ⅲ类，钻芯法完整性为Ⅰ类，装身质量综合判定为合格。

(8) 办公楼11#基桩，桩径1 200 mm，桩长25.30 m，混凝土强度等级C30，桩身低应变完整性不确定，钻芯法完整性为Ⅳ类，桩身质量综合判定为不合格。

3 验证结果与分析

3.1 信号楼D9#基桩

信号楼场地14根基桩，经低应变反射波法完整性检测，其中13根基桩的低应变桩身完整性类别为Ⅰ类，仅D9#基桩为Ⅱ类。如图3所示，D9#基桩的低应变时程曲线在4.7 m处有一比较明显的同相反射，判断该处桩身存在缺陷。但经过钻芯检测并未发现该处桩身有缺陷，钻取出的砼芯样连续完整，判定其桩身钻芯法完整性类别为Ⅰ类。

查阅施工记录及地质资料可得，信号楼场地地层条件简单，无溶洞等不良地质现象，14根基桩成孔和砼浇筑过程顺利，但当时回填时仅D9#基桩5 m深左右回填过一薄层破碎煤矸石，其余13根基桩周围回填为均一黏土。破碎煤矸石力学性质非常差，而且遇水即软化成流泥状，能导致该处的广义波阻抗减小。故可以判断图3中4.7 m处的同相反射是该处桩周煤矸石的软夹层所造成的。

图3 信号楼D9#基桩的低应变时程曲线

3.2 2#锅炉房16#基桩

弹性波在阻抗变化界面处会反射，本文将这一次反射称为一次反射波。这一次反射波向上传播到达桩顶，一方面为检测仪器接收，另一方面在桩顶这一波阻抗变化界面处引起反射，且此反射波向下传播至桩身原波阻抗变化界面处造成相对入射波的同相反射，这一反射可以理解为该桩身原波阻抗变化界面的二次反射[5]。此二次反射波所导致的质点运动速度与最初的入射波所引起的质点运动速度方向一致，它向上传播被检测仪器所接收。由于二次反射波传播到桩顶所用的时间是一次反射波传播到桩顶所用的时间的2倍，且低应变时程曲线所表示的是桩顶处检测点位置的速度响应[5]，所以，二次反射在低应变时程曲线上表现为，在一次同相(异相)反射之后的2倍距离处出现一相对入射波的同相反射。从上述可知，二次反射的存在必然会给低应变反射波完整性检测带来不容忽视的影响，2#锅炉房16#基桩的低应变时程曲线就属于这种情况。

16#基桩低应变时程曲线如图4所示。低应变时程曲线中，6.2 m和12.2 m位置出现同相反射，据此判断其低应变桩身完整性类别为Ⅱ类，但经钻芯取样检测却并未发现任何桩身缺陷，故判断其钻芯法完整性类别为Ⅰ类。查阅工程勘察资料可知，2#锅炉房场地地层较为复杂，并伴有大小溶洞。据施工资料记录，16#基桩孔开挖至6 m左右出现了小溶洞，施工单位用一些稻草和砂石进行了松散充填处理，而其它深度地层良好，未再出现溶洞。由此可判断，16#基桩低应变时程曲线6.2 m处的同相反射是桩身混凝土和溶洞中的松散充填物间界面的波阻抗变化引起的，而12.2 m处的同相反射是6.2 m处的同相反射的二次反射。

图4 2#锅炉房16#基桩的低应变时程曲线

3.3 2#锅炉房3#基桩

如图5所示，2#锅炉房3#基桩的低应变时程曲线形态复杂，在首波和桩底反射波之间出现多次反射，据此判断桩身低应变完整性类别为Ⅲ类。但钻芯取样结果显示，桩身混凝土取芯率高，芯样多呈柱状，骨料分布均匀，桩身质量较好，因此可判断其桩身钻芯法完整性类别为Ⅰ类，且可认定低应变时程曲线中的多次反射不是桩身混凝土波阻抗变化所引起的。

图5 2#锅炉房3#基桩的低应变时程曲线

据施工资料记录，2#锅炉房3#基桩孔开挖至3 m左右深出现岩石，9 m至12 m左右出现一个横向直径为3 m大的溶洞，当时施工人员对这个溶洞采取的处理方法是用混凝土进行浇筑封堵。因此可以判断，低应变时程曲线3.3 m处的异相反射应该是入岩反射，6.6 m处的同相反射则是3.3 m处入岩反射的二次反射，而又因为对溶洞采用混凝土浇筑封堵，造成桩身变相扩径和变相缩径，故低应变时程曲线9.1 m处出现的异相反射是溶洞顶位置的扩径反射，12.3 m处出现的同相反射是溶洞底的缩径反射。

3.4 2#锅炉房46#基桩

从图6可以看出，2#锅炉房46#基桩的低应变时程曲线在6.13 m和11.98 m两处分别有一个同相反射波，判断其低应变桩身完整性类别为Ⅲ类；但经钻芯取样检测发现，桩身混凝土芯样完整连续，质量良好，桩身钻芯法完整性为Ⅰ类。因此，该低应变时程曲线的2个同相反射波不是桩身质量缺陷所致。

人工挖孔桩先挖孔，后成桩，其间有一个非常重要的工序——护壁。有时由于桩周上下地层条件的不同，同一人工挖孔桩不同部位会采用不同材料来护壁，常见的有混凝土、砖块等。这样，不同护壁会导致桩孔上下内径不同，也就会导致桩身上下桩径不同。当时，2#锅炉房46#基桩孔在6.1 m以上采用砖块护壁，而6.1 m以下采用混凝土来护壁，这就导致了桩身6.1 m处上下桩径不同，所以低应变时程曲线在此处出现反射。从该低应变时程曲线可以看出，11.98 m处的同相反射波幅值相比6.13 m处的同相反射波幅值较小，11.98 m处距桩顶距离正好是6.13 m处距桩顶距离的两倍，因此可判断11.98 m处的同相反射是6.13 m处反射的二次反射。

图6 2#锅炉房46#基桩的低应变时程曲线

3.5 1#锅炉房14#基桩、烟囱28#基桩和铁路桥2-1#基桩

低应变时程曲线上的桩端反射在桩身完整性类别判定中具有重要作用，其具体表现为：①有无桩端反射是低应变桩身完整性分类的一个参考依据；②桩身中应力波的传播波速是判定桩身混凝土质量的一个重要指标。要想确定波速，就得先确定桩长和应力波从桩顶传播至桩底再从桩底传播到桩顶所用的时间。通常情况下，桩长是已知的，而时间的确定就得依赖于低应变时程曲线上的桩端反射的确定；③同时，虽然规范中没有规定桩端反射的相性和幅值可以反映桩端持力层的性状，但实际检测工作中，桩端反射对桩端持力层情况的反映是不可以忽视的。

然而在低应变时程曲线上确定桩端反射也不是那么容易的，首先，桩端反射会在波阻抗或者桩长等因素的影响下变得微弱或几乎没有，这将导致很难确定桩端位置；其次，桩端反射的相性可能会被改变，这又将导致误判桩端持力层的性状。

1#锅炉房14#基桩、烟囱28#基桩和铁路桥2-1#基桩低应变时程曲线分别如图7所示。1#锅炉房14#基桩、烟囱28#基桩低应变时程曲线相似，均无桩端反射，无法从时程曲线判断其完整性类别；铁路桥2-1#基桩低应变时程曲线7 m左右有比较强烈的异相反射，桩端附近有明显的同相反射，判断该桩低应变桩身完整性类别为Ⅲ类。然而钻芯结果显示这3根基桩桩身质量较好，均可以判定为钻芯法完整性Ⅰ类。参照对比同一场地、同一地质条件、桩型和成桩工艺相同的基桩低应变时程曲线，结合钻芯成果分析可知，1#锅炉房14#基桩时程曲线无桩端反射，是因为应力波在桩身中的传播是一个能量不断被衰减的过程，如果桩长过长则会导致应力波能量被衰减殆尽，应力波不能传播到桩底或者不能从桩底反射回桩顶；烟囱28#基桩则因为桩端持力层波阻抗与桩身混凝土波阻抗相匹配，使得桩端界面没有明显的波阻抗变化，以致入射波全部透射进持力层，也就无法产生桩端反射波。而铁路桥2-1#基桩桩端附近出现的强烈同相反射，是桩身7 m左右的异相反射的二次反射与桩端反射的叠加，由于该二次反射的幅度很长，延伸到了桩端，以致造成误判。

图7 低应变时程曲线

图8 办公楼11#基桩的低应变时程曲线

3.6 办公楼11#基桩

如图8所示，办公楼11#基桩低应变时程曲线无桩端反射，但也无其他缺陷反射，故初步判断桩身质量良好。经钻芯进一步检测验证发现，桩底无沉渣，以中等风化炭质灰岩为持力层，混凝土胶结度差，完整芯样很少，整体呈碎块状，从25.3 m长的基桩中所钻出来的芯样用一个5 m长的芯样盒就装下。据此可判断此桩钻芯法完整性类别为Ⅳ类。

办公楼11#基桩桩身质量如此差，为何低应变时程曲线上没有体现，低应变反射波法检测失效？一维弹性杆件假设是低应变反射波法检测基桩完整性的基础，如果基桩不能满足一维弹性杆件假设条件，则低应变反射波法对此基桩的检测也就失效。某些基桩桩身很长，入岩较早，如桩身与桩周围岩连接好，且桩周围岩波阻抗与桩身波阻抗相差不大，则基桩入岩的这一长段桩身已经很难满足将检测桩作为一维弹性杆件的要求[6-8]，这就会导致低应变反射波法的失效。

办公楼11#基桩未按设计要求用规定的商品混凝土进行浇筑，而是采用施工单位自配的混凝土浇筑的，混凝土强度达不到设计要求，桩身波阻抗与围岩波阻抗无明显差异，使得该桩不能满足一维弹性杆件的假设条件，最终导致低应变反射波法检测失效。

4 结 论

通过对湖南某电厂基桩工程检测成果分析与总结，人工挖孔桩的低应变反射波完整性检测的局限性主要体现在以下几个方面：

(1) 桩周地层变化对低应变完整性检测所引起的干扰，如信号楼的D9#基桩。

(2) 波阻抗变化界面的二次反射所产生的干扰，如2#锅炉16#基桩。

(3) 桩周地层的变化和二次反射的共同影响，如2#锅炉房场地3#基桩。

(4) 不同护壁对低应变完整性检测的干扰，如2#锅炉房的46#基桩。

(5) 桩周地层和桩端持力层的性状及桩身长度对桩端反射产生的影响，如1#锅炉房的14#基桩、烟囱的28#基桩和铁路桥的2-1#基桩。

(6) 桩身和桩周围岩相互作用下使低应变完整性检测失效，如办公楼的11#基桩。

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