低应变反射波法判断桩基完整性

赵云龙，李凡，王骏，童进

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

低应变反射波法判断桩基完整性

赵云龙，李凡，王骏，童进

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

由于桩基工程是地下隐蔽工程，而施工及土层等复杂因素导致桩身质量问题普遍存在，因此检测桩基质量问题十分重要。目前，在我国桩基检测方法有多种，其中反射波法由于其基本原理简单、快速无损、资料判读直观、准确度较高成为检测桩基质量的主流方法。根据在安徽淮北省道连接道路S203中出现不同桩身质量问题，通过低应变反射波法并结合时域、频域图来判断桩基的完整性。

传感器；时域；频域；激振点；波形图

0 引 言

随着建设事业的蓬勃发展，桩基础作为一种安全、有效、方便的主要基础形式，应用也越加广泛。但是桩基础多为地下成桩，因此难免会出现诸如：缩扩颈、断裂、混凝土离析等诸多缺陷［1］。这些缺陷会在不同的程度影响桩基的质量，使桩基达不到设计要求。因此桩基检测工作也越来越引起人们的关注，而低应变反射波法是检测桩身完整性应用最广的一种方法。

本文将从低应变检验桩基完整性的基本原理入手，结合在安徽淮北省道连接道路S203中桩基出现的问题进行分析。S203路线起点位于淮北市青龙山火车站附近的青龙山路和孟山南路交叉处，施工范围起点位于新濉河北岸与省道S101交叉处，终点位于临涣工业园基地北路与S203交叉处。工程施工范围为：K0+914.5～K34+771，全长33.857km。沿线经濉溪镇、百善镇、四铺镇、韩村镇等城镇，并上跨县道、省道、高速等多条重要道路。其中426根基桩采取低应变反射波法进行检测，因此能否检测出来基桩的缺陷直接影响到后期工程的进行。

1 适用范围以及基本原理

1.1 适用范围

该方法适用于钢筋混凝土预制桩（预制混凝土方桩、板桩、预应力管桩等）和混凝土灌注桩（钻孔灌注桩、挖孔灌注桩、沉管灌注桩等）的桩身结构完整性检测。

1.2 基本原理

低应变反射波法，先是用重力锤桩顶施加一个瞬态激震力，产生竖向的瞬态应力波，应力波在桩身传播的过程中。如遇到桩身阻抗变化时，应力波就会在该处发出反射波信号，再由速度传感器接收产生的反射信号，并作出时程（或称为波形）曲线。然后利用信号采集仪对记录的波形进行处理和分析，最后结合地质资料和施工记录，对桩身的完整性作出判断［2］。检测方法如图1所示。

图1 检测方法示意图

低应变反射波法是以把桩视为一维弹性杆为基础的，当在杆的一端施加一个瞬态脉冲力，则会有应力波沿着杆的轴线像另一端传播，如果在其传播过程中遇到了杆件截面的波阻抗Z发生变化时，则在变化界面处会产生反射波。也就是说，入射的应力波在变阻抗的界面上，一部分波沿着界面继续顺着杆的轴线向下传播（称为透射波），而另一部分则从界面反射回去（称为反射波）。

如果划分为杆的上端阻抗Z1，界面下端阻抗Z2，则考虑杆件在界面连续，边界条件应该为：

其中u、u'和N分别表示界面处位移、速度和轴向力，下标i、r、t分别表示入射反射和透射波。且轴向力N与应力σ以及位移u有如下关系：

这样，就可以推出反射系数Rr和透射系数Rt：

式中：

带入式（4）和（5）得

由式（7）可以看出，当桩界面上下两端阻抗相差越大，反射波反射越明显，反射能越大，故可以根据传感器接收信号所得出的曲线图来判断桩的完整性。且缺陷越大，曲线图越明显，越容易看出缺陷位置［3］。

2 测试前的准备工作

2.1 桩顶处理

桩顶处理的好坏直接关系到桩的质量缺陷是否能被检测出来。因此要求被检桩的桩顶混凝土质量、设计与截面尺寸相同。且对于不同形式的桩应采用不同的处理形式：如果检测对象为钻孔灌注桩，应凿除桩顶浮浆，露出新鲜、坚硬的混凝土；若为预制混凝土桩，宜在破桩前进行低应变测试，被检桩的桩顶检测面必须平整、密实和水平。

2.2 传感器安装

传感器应稳固地安置在桩顶，粘合剂可采用橡皮泥或者黄油等材料。安装完毕的传感器应紧贴桩的顶面，传感器不产生滑动、信号线不抖动，不能用手扶持传感器和信号线，并保证传感器安装平面与桩的中心轴线垂直。

2.3 激振锤的选择

选用不同材质锤头的主要目的是控制激励脉冲的宽窄，以获得清晰的桩身阻抗变化和反射和桩底反射。当桩身缺陷位置离桩顶较近时，宜选用质量小且刚度较大的锤头；反之，桩身缺陷位置离桩顶较远时，宜选用质量较大且刚度较小锤头，得到的冲击脉冲较宽，低频成分较多，相应的应力波能传递到桩身较深部位。

3 现场数据采集

现场数据采集时，为了保证原始资料准确、无误，首先要控制好仪器增益，以期来控制信噪比及避免信号削尖现象。而且对于较长较大的桩，应适当增加锤击能量和降低锤击脉冲频率，以克服锤击能量衰减速度快的弊端。而对于浅部位置波阻抗变化，则要提高脉冲频率［4］。

4 室内数据分析处理

4.1 时域和频域结合分析

桩身完整性分析以时域曲线为主，辅以频域分析，并结合施工情况等因素进行分析处理。一般来说，时域中的信息直观、明了，很容易看到缺陷和桩底反射；频域中的信息间接，需要仔细分析。

如图1，该桩长15.7m，直径1.4m，在图2（a）中出现的桩顶发射较为明显，无缺陷反射波；在图2（b）中，清晰地看出△f=126.01Hz，△L=c/△f/2=3911/126.01/2=15.51m，二者结果大体一致。

图2（a）时域图

图2（b）频域图

4.2 滤波技术

采用加速度传感器时，选择不小于2000Hz的低通滤波对积分后的速度信号进行处理；采用速度传感器时，选择不小于1000Hz的低通滤波对积分后的速度信号进行处理。

4.3 曲线放大

线性放大，可使细小的缺陷明显；指数放大，可使各反射面相对明显，有时会使曲线畸变。

4.4 缺陷处信号重复反射问题的识别

当缩颈桩的缩颈处截面积变小时，即存在波阻抗变化界面，这时在时域波形图中能见到明显的缩颈反射和桩底反射信号。如图3，在桩顶1.2m左右出现正半波，意昧着缩径，后来经挖开后，出现“蘑菇头”，是因为浇筑时护筒大于桩径所致，如图4。

5 结 论

①为保证低应变反射波法能够对桩基缺陷做出正确判断，必须要尽可能减少人为因素所产生的一些误差。选择性能稳定的传感器，减少环境因素的影响，合理地应用滤波处理和设置仪器参数。

②运用低应变反射波法判断桩基完整性必须要结合工程实际。虽然我们能通过接收到信号做出明确的判断，但是要对桩身完整性做出准确判断必须要明确工程的施工工艺和场地情况。

③合理的应用低应变反射波法可以更好地指导基桩的施工。

图3 1.2m处缩径时域图

图4 现场图

［1］胡在良，张佰战.时域频域法联合判定桩身完整性的应用研究［J］.铁道建筑，2008（1）：58-60.

［2］刘明贵.桩基检测技术指南［M］.北京：科学出版社，1995：245-252.

［3］黄晏辉.低应变反射波法在桩基检测中的应用［J］.中国西部科技，2015，14（5）：57-58.

［4］李武强.利用低应变检测曲线判断桩基质量［J］.中国煤田地质，2003，15（1）：63-64.

TU473.1+6

B

1007-7359（2016）02-0261-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.093

赵云龙（1990-），男，安徽阜阳人，合肥工业大学土木与水利工程学院在读硕士，研究方向：岩土与地下工程。