低应变波形曲线分析

2014-09-03杨鹏

四川建筑 2014年5期

杨鹏

(攀枝花天誉工程检测有限公司,四川攀枝花617023)

近年来，随着高层建筑的发展，桩基作为主要承重部分，其质量的好坏倍受关注，桩基的无损检测也获得了广泛应用。低应变反射波法是在20世纪70年代发展起来的，它以方便快捷、成本低、方法可靠等优点应用于桩基的完整性检测。

1 原理

反射波法源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播。在桩身明显存在波阻抗界面(如桩底、断桩或严重离析等部位)或桩身截面积变化(如缩颈或扩颈)部位，将产生反射波。经接收、放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。据此计算桩身波速、判断桩身完整性和混凝土强度等级。

当桩嵌于土体中，将受到桩周土的阻尼作用，桩的动力特性满足一维波动方程。

其波动方程为：

式中：c是弹性波纵波传播速度，它是由材料常数ρ和E所决定的常值。

2 各种完整桩的波形

灌注桩桩型一般分为摩擦桩和嵌岩端承桩两种，其在低应变反射波法的图示见图1。

(a)完整桩波形 (b)摩擦桩波形 (c)嵌岩端图1 低应变反射波

(1)当桩为摩擦桩时，桩身阻抗大于桩底持力层土层的阻抗，此时桩底反射波速度符号和入射波符合一致，桩底处反射波应力的速度的幅值低于入射波,随着桩底土质变软,(如桩底沉渣)桩底土的波阻抗变得更小,此时除桩底反射波速度符号和入射波符合一致外,反射波幅值也变大。当把桩底土波阻抗小到可以忽略时，则可有：下行的压力波变上行拉力波，入射波全反射，质点速度加倍。由此显示桩底反射波的幅值变得更大，人们可以利用其强弱定性确定端承桩的沉渣厚薄。

(2)当端承桩和嵌岩端承桩的桩底岩土波阻抗逐渐增大时，反射波的幅值变小，若桩底岩土波阻抗大于桩身波阻抗时，此时桩底反射波符合与入射波反向。由此人们利用这一特征可以定性判断桩尖打入坚硬持力层的程度及深度。

3 缺陷桩的波形曲线

3.1 施工中造成的断桩波形

在施工中常见有三种断桩形式，不同的断桩形式所反映的反射波形不同。

(1)深部断裂：近似于摩擦桩的沉渣桩桩底反射，有高幅值的桩间反射，反射波相位与初始入射波相同，往往可见到2次或3次，但按平均波速算桩长却远比设计桩长要短，或按设计桩长算波速远大于一般桩的波速，如按常规公式2L/△t计算后得到的Vp达到4 300 m/s以上，这时就应该考虑到可能是桩基未打到设计的深度，或者是桩在深部有断桩现象(图2(a))。

(2)桩中部断裂：表现在反射波曲线的多次等周期衰减，反射曲线、反射子波的第一子波相位由于是高阻抗材料传向低阻抗的水、空气或充泥材料，故其相位与桩的初始入射波同相位，而后续波由于从低阻抗的软材料进入高阻抗的硬材料，故其相位表现为与初始入射波相反。我们可以从各反射波的等距峰△f值来计算断裂处的高度(图2(b))。

(3)桩浅部断裂：是指桩的断裂部位在5 m内，这往往是由于机械开挖或开挖旁侧堆土所致,它的反射波曲线表现形式与桩中间断相似，但峰很密，幅更小，有时往往叠加在一个低频包络线上，这是由于受桩身下部的振动或工地50 Hz低频影响之故，此类波形的衰减也很慢(图2(c))。

(a)深部断桩波形 (b)中部断桩波形 (c)浅部断桩波形图2 有缺陷桩的反射波形

3.2 成孔事故中造成的缩径或扩径

(1)缩径：当桩身出现缩径时，缩径的上界面，其A1>A2，由VR和VI同号，表现为反射波相位与初始入射波同向，但在缩径的下界面,由于VR和VI为反向，故后续反射波的相位与初始入射波相反。此类由于缩径引起的反射波由于界面波阻抗差异大，故反射波形清晰、完整而直观，如严重缩径者可见到多次反射波(图3(a))。

(2)扩径：扩径桩所引起界面反射波的特征与缩径相反, 当扩径的上界面波入射后,压缩波表现为拉伸波,VR与VI相差一个负号,故第一反射波与初始入射波相反号;当应力波进入扩径的第二界面即底界面时,VR和VI同号，反射波的后续波与初始入射波表现为同方向。但由于扩径的形态各有不同,其反射波的表现也将有差异，在严重扩径时,也会见到多次反射，而往往下界面的同向反射波表现得更清晰一些(图3(b))。

(a)缩径桩波形 (b)扩径桩波形图3 有缩径或扩径的桩的反射波形

3.3 灌注不当造成空洞-离析桩

(1)空洞桩：对于空洞桩，由于空洞上界面是从桩身材料高波阻抗Z1传向低波阻抗Z2的土层中，故桩间的第一反射波相位与入射波同向，但空洞的下端由于软材料低阻抗Z1

进入硬材料(桩体)高波阻抗Z2，故其后续波的相位与桩初始入射波反向。对于此类缺陷因空洞的范围大小，而直接影响反射波幅值，但均可见到桩底反射(图4(a))。

(2)离析桩：桩间出现离析或胶结不良的缺陷,从理论上分析与缩颈的类似,即在离析的第一界面反射波的相位与初始入射波相位相同,而在离析的底界面的反射波与初始波相位相反,但由于离析的程度差异及材料密度的不同,往往会引起应力波在这缺陷层面和层间的复杂反射、折射、透射和散射，表现在层间的能量的强吸收，因此在反射波形上表现为波幅值降低，波形较乱，甚至于找不出明显的同向和反向的子波(图4(b))。