浅析缺陷桩检测曲线的反射特征

闫洪涛，胡 博，刘国超，穆 晶，杜宝龙

(1.天津市勘察院 天津 300191；2.中铁六局天津铁建公司 天津 300100)

0 引 言

太原至中卫(银川)铁路简称太中银铁路，沿线山高谷险、沟壑林立，地质情况十分复杂，桩基础在桥梁、路基等工程中被大量采用。低应变法测桩以其简便快捷的优势，在该线桩基检测中广泛应用。

影响低应变测试信号的原因有很多，在太中银铁路的大量桩基础中，通过检测曲线分析几种缺陷桩检测曲线的反射特征，解释了曲线异常的原因，阐述了针对不同异常检测曲线应采用的不同处理方法。

本次检测投入了两套低应变法检测仪器，其相应信息如表1所示：

表1 基桩检测设备一览表Tab.1 List of foundation pile testing equipment

1 低应变反射波法测桩原理

检测方法采用低应变反射波法，评价标准执行国家行业标准《铁路工程基桩无损检测规程》(TB 10218—1999)，评价标准如表2所示：

表2 基桩质量评价标准表Tab.2 Evaluation criterion for foundation pile quality

2 低应变反射波法检测原理

低应变反射波法假定桩为一维弹性杆件。

如图 1所示，在桩顶施加轴向冲击力，激发出沿桩身向下传播的应力波，应力波的传播满足波动方程：

式中，c2=E/ρ，c表示沿桩身传播的应力波速度，E表示杨氏模量，ρ表示材料的质量密度。

图1 低应变反射波法检测示意图Fig.1 Schematic diagram of the detection by low strain reflected wave method

当桩身在某一位置的截面尺寸或密实度发生变化时，该界面上、下的波阻抗发生变化，应力波将产生反射和透射，其反射系数为：

式中，Z＝ρ·C·Α，Α表示桩截面尺寸。

通过安装在桩顶的高灵敏度传感器接收反射波信号，对接收信号进行时域、频域分析后，根据检测曲线的反射特征，分析桩身存在缺陷的性质，评价桩身质量。

根据桩身应力波平均速度V和桩头到缺陷界面的双程走时t，按下式计算缺陷的深度H：

3 工程实例分析

3.1 完整桩检测曲线的反射特征

为了说明基桩存在缺陷时的曲线特征，先给出图 2的完整桩检测曲线。该曲线有初至波和桩底反射两个信号，其余部分没有反射信息。

图2 完整桩检测曲线Fig.2 Detection curve of an integrate pile

3.2 浅部缺陷桩检测曲线的反射特征

图 3为太中银客运专线校场坪桥的基桩检测曲线。该桩设计桩长40,m，直径1.5,m。

图3(a)曲线前部出现低频振荡，桩底信号被掩盖，这种波形反映了在桩身浅部存在严重缩径或离析缺陷。这是因为在桩身浅部存在缺陷时，检测中仍然按 40,m桩长设定采样间隔为 80,μs，过大的采样间隔造成浅部高频信息的丢失。在该曲线中，4,m左右的第 1个波谷幅值接近前面波峰的幅值，分析在该位置可能存在扩径，浅部缺陷的深度应不超过4,m。

将桩长设定为4,m，采样率为10,μs，在桩顶不同位置进行采样，得到图3(b)、图3(c)和图3(d)3条曲线，在这3条曲线中，揭示了桩身浅部 1,m左右存在的缩径缺陷和 4,m处存在的扩径缺陷。

图3 浅部缺陷桩检测曲线Fig.3 Detection curves of a defective pile at shallow part

3.3 断桩检测曲线的反射特征

图 4为太中银某铁路桥的基桩检测曲线。该桩设计桩长30,m，直径1.25,m。

图4 断桩检测曲线Fig.4 Detection curve of a broken pile

图4的曲线是在设定桩长30,m的情况下得到的，曲线在12,m 左右出现强反射信号，且尾部发生漂移。分析尾部漂移的原因，应该是桩身在 12,m 处存在严重缩径或夹泥缺陷，由于在检测中采用长力棒敲击，即对短桩采用低频高能量的激发方式，激发出的能量在缺陷处几乎产生全反射，高能量的反射信号造成了曲线尾部的漂移。换用小锤敲击后，得到标准的短桩曲线。该桩在12,m处完全断开。

3.4 严重离析桩检测曲线的反射特征

图 5为太中银某铁路桥的基桩检测曲线。该桩设计桩长32,m、桩径1.5,m。

图5(a)在12,m处出现反射信号，并出现逐步衰减的两次振荡。对比图 3，同样是用长力棒敲击，曲线尾部没有发生漂移，说明桩没有断开，有一部分应力波向下发生了透射，但桩底反射信号的能量已经很小，被前面的振荡信号覆盖。

图 5(b)是将桩长设定为 12,m 后的检测曲线。曲线在12,m处的反射信号平缓，是典型离析缺陷的反映，同时揭示了2,m处的缩径缺陷。

3.5 存在两处缺陷的桩检测曲线的反射特征

图 6为太中银某铁路桥的基桩检测曲线。该桩设计桩长43,m，直径1.5,m。

图5 离析桩检测曲线Fig.5 Detection curves of a separate pile

曲线存在两处异常，按该工地桩身平均波速 3,900,m/s计算，第一处异常深度在 5,m左右，第二处异常深度在 14,m左右，并且引起曲线振荡。

图6 存在两处缺陷桩的检测曲线Fig.6 Detection curve of a pile with two defects

经分析，第一处异常为离析或夹泥缺陷的反映。

第二处异常出现的原因存在两种可能：①根据地质资料分析，在14.6～15,m的地层为软塑的粘土层，该异常应为严重缺陷的反映，桩身可能已经在该处断开；②桩身在 6,m处存在扩径，扩径信号和第一处异常信号的叠加引起了第二处异常信号，这可以在正演拟合中实现。

为验证检测的准确性，对该桩进行了抽芯验证，在距桩中心35,cm处使用108,mm钻头进行抽芯，验证结果为：在4.6～4.8,m间钻机进尺明显加快，岩芯呈蜂窝状，属离析缺陷。之后钻进至 16,m，进尺正常，取芯长度均在 0.8～1.2,m 之间，岩芯完整。在过桩中心的对称位置进行第二孔抽芯，除在 4.8,m出现异常外，在 13.5,m 处进尺加快，岩芯呈碎块状，为夹泥缺陷的反映。抽芯验证证实了检测的准确性。

4 结 语

通过上述几个工程实例的分析，在进行低应变动力检测时应注意以下几点：①现场对出现异常信号的桩必须采用更换检测位置、换用激发器械和改变采样间隔的方法进行多次测试，在桩存在浅部缺陷这一步时尤为重要。②对存在两个异常信号的桩，应重点分析产生第 2个异常信号的原因，这是因为第2个异常信号位置深，反映出的缺陷也更为严重。③及时搜集工地的地质条件和基桩的灌注记录，对桩身可能出现的缺陷类型和位置有大致了解。④在充分考虑地质条件和基桩灌注记录的基础上，对异常信号进行正演拟合，在论据不充分的情况下需进行抽芯验证。

综上，为避免成桩质量事故的发生，首先应当提高质量安全意识，做到精细化施工，完善每道工序的自检程序，在施工过程中发现问题及时处理，不应报有侥幸心理。同时，总结经验，保证工程质量。■

［1］TB 10218—1999 铁路工程基桩无损检测规程[S].1999.

［2］史佩栋.实用桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

［3］TB 10218—2008 铁路工程基桩检测技术规程[S].2008.

［4］段尔焕.桩基试验与检测技术[M].北京：人民交通出版社，2003.