低应变反射波法速度曲线判定及应用

林隽祺

郑州市交通规划勘察设计研究院 河南 郑州 450001

正文：

1 前言

在现代工程中普遍使用的桩基和复合地基中的刚性、半刚性桩等多地下隐蔽工程，在施工过程中难免会出现诸如断桩、缩径、软弱夹层、离析等各种缺陷，而桩身质量的好坏直接影响着桩基或者复合地基的承载力，从而对工程质量有着举足轻重的影响。反射波法是低应变动力测试中的一种，由于其基本原理简单、采集数据快速无损、数据直观易于现场和室内判定等特点，现已成为桩身完整性动力测试的主要方法之一。

2 基本原理

反射波法又叫时域法，由于桩长远远大于桩径，可视为一维弹性杆，当其一端受瞬态脉冲力作用时，应力波以波速VC沿着杆轴线向另一端传播，如传播中杆件截面波阻抗Z（Z=ρVCA）发生变化时，即在波阻抗Z改变的界面上产生反射波。反射系数Rr和透射系数Rt如下：

上式中ρ、A分别为杆材料（桩）的质量密度和截面积；Z1和Z2分别为桩身上、下部分的阻抗。由上式可知，无论桩身阻抗Z1、Z2如何变化，始终有Rt＞0，透射波总是与入射波相位相同，而反射波相位取决于桩身界面上、下的波阻抗Z1、Z2的变化。当桩身波阻抗减小（Z1＞Z2）时，即Rr＞0，反射波和入射波相位相同；当波阻抗增大（Z1＜Z2）时，即Rr＜0，反射波和入射波相位相反。据此，通过安装于桩顶的速度或者加速度传感器采集反射波时域曲线，并经信号接收放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此判定桩身完整性。

3 测试分析应注意的问题

3.1 搜集现场资料

在进行现场测试前，应收集并了解场地地质状况资料、桩型、桩长、成桩工艺及施工记录等，特别是在成孔、灌注等施工过程中出现的异常状况，如断电、混凝土供应不足等可能造成的混凝土的离析、夹层等缺陷。同时，应了解场地内桩身以及桩端所处的地层状况，这对判定缺陷是由于桩身质量，还是由地层影响等有重要意义。

3.2 检测开始时间

要根据施工记录确定检测桩，因为受检桩的时域曲线反射信号随着桩身刚度的增大而增强，若混凝土强度未达到检测时的所需强度，无法得到桩底反射信号或使桩身时域曲线失真，以至出现误判。故受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa，一般在成桩后7d～15d后即可进行桩身完整性检测。

3.3 桩头部分处理

为了得到清晰可靠的反射信号，对于受检的灌注桩应凿去桩顶部分的浮浆、破碎层和疏松混凝土至坚硬的混凝土面，并切除桩头外露过长的钢筋。不要在混凝土表面抹水泥砂浆找平层，以免砂浆与混凝土结合不好而造成反射信号失真，从而引起误判。

3.4 传感器的安装

传感器必须安装牢固且与桩顶垂直，使它与桩体一起运动，能真实反映出桩顶的振动。通常的做法是通过黄油、橡皮泥或石膏粘结，但易产生隔振，所以要求传感器与新鲜检测面间应压紧。

3.5 锤击设备选择

不同的桩型应选择不同的锤击设备。一般的做法是长桩或深部缺陷用低频的激振力，故选择较软的锤头或质量较大的力棒；而对于桩径较小的短桩或浅部缺陷用能产生高频的激振力，故选择质量较小的锤或硬质锤头。另外，锤头的材质对激振也有较大影响。

4 动测成果判别及桩身质量判定

本次桩身动测成果的分析、检测仪器是美国P.D.I公司生产的P.I.T基桩动测仪，并对工程中出现的桩型进行分析对比，已准确判定桩身质量和缺陷类型。

4.1 完整桩

完整桩反射波波形（速度曲线）规则，波列清晰，2L/c时刻前无缺陷反射波，桩底反射明显。

图1 完整桩实测信号曲线（左为钻孔灌注桩，右为静压管桩）

4.2 缩径、离析或夹泥

缩径、离析或夹泥等缺陷为桩身截面减小或强度降低，致使桩身阻抗Z1大于Z2，使得病害部位反射波与桩顶入射波相位相同，且反射波到达病害部位的时间小于到达桩底的时间，且反射波波速降低、波幅减少。

图2 缩径（离析）实测信号曲线（钻孔灌注桩）

4.3 断桩、严重离析

断桩、严重离析等病害的桩身缺陷处上部阻抗Z1瞬间几乎变为零，使得在缺陷处的反射波波幅很大，且往往出现波形重复的多次反射，伴随着桩身质量的严重下降，波速衰减很快，经过多次反射后，难以观测到桩底反射波。

图3 断桩实测信号曲线（CFG桩）

4.4 浅部断裂

浅部断裂桩的波速、波幅和频率会迅速衰减，难以观测到桩底位置反射波。由于浅部断裂的桩缺陷位置较浅（大都在1～1.5m范围内），而这部分又位于测试盲区内，桩体缺陷准确位置难以分析确定，所以现场开挖验证是最好的验证方法。

图4 浅部断裂信号曲线（CFG桩）

4.5 扩径

扩径桩的桩身截面增大，致使桩身阻抗Z1小于Z2，使得扩径部位反射波与桩顶入射波相位相反。另外，若在桩身范围内两层软弱土层中夹有一强度较高土层，则桩顶反射曲线表现为扩径的信号曲线，反之，则表现为缩径信号。基桩扩径后只要不对周围桩体或复合地基中复合体产生破坏影响，桩身扩径不应视为桩体缺陷。

另外，桩身实测信号复杂、无规律、桩身截面渐变或多变以及大直径桩等情况下，难以进行准确判定时，应结合其他检测方法。

5 问题探讨

5.1 桩底反射信号

摩擦桩桩底土层承载力较小，桩底反射波与桩顶入射波同相位；若为嵌岩桩，因持力层阻抗Z持力层大于或者等于Z桩，所以桩底反射与桩顶入射波相位相反，或者桩底反射不明显或无反射，这时应根据地层性质及同条件下其他桩身反射信号判定桩身完整性。

5.2 混凝土强度与波速的关系

在相同条件下，桩身波速和混凝土强度间呈正相关，但要考虑成桩时骨料的品种、粒径、混凝土养护方式等因素。目前有些单位中出现了所谓的“桩身平均波速与混凝土强度关系”（如下表），根据笔者多年的检测经验、对比试验及有关文献，桩身波速有时候能够对应混凝土强度，但并不能确定所谓的下表关系，应审慎应用下表，而应通过对混凝土试件的波速测定与抗压强度对比试验确定。

桩身平均波速与混凝土强度关系

5.3 桩长及缺陷位置的判断

桩长及缺陷位置的确定可以根据桩身波速（可用波速平均值替代）和桩底或缺陷位置反射波到达时间应用下式对其加以核对。

但波速c的取值应在相同条件下测得。当应用桩身龄期短的实测波速验证其他桩身龄期较长的桩时，会使计算的缺陷位置偏浅。反之，则缺陷位置偏深。

6 结语

综上所述，可得出如下结论：

（1）低应变反射波法分析可运用一维波动理论进行分析、判定。桩身完整性准确判定除了自身经验的积累，还要考虑场地的地质条件、设计桩型和施工工艺以及合适的锤击设备等。

（2）低应变反射波法分析时，可根据桩身反射波是否和入射波具有同相位而确定桩身波阻抗的变化，从而判定缺陷类型、桩身完整性。并且还可根据波速和反射波到达时间对桩的实际长度、缺陷大概位置加以判断。

（3）有无桩底反射信号不能作为判定桩身完整性的标准。桩身应力波速虽和桩身混凝土强度成正相关关系，但不同场地、不同条件下两者的确切关系应通过对混凝土试件的波速测定与抗压强度对比试验而定。