应力反射波法在桥梁桩基检测中的常见问题

目前，普遍使用的桩基础完整性测量方法为反射波（PIT）检测，该测量方法的速度较快、成本较低，同时有较高适用性，但在实际工程测量中却经常出现偏差、漏判等问题，导致技术人员对PIT检测方法的有效性产生了质疑。本文结合作者多年实践经验，主要研究应力反射波法在桥梁桩基检测中的常见问题。

反射波法的问题分析

PTI测量技术就是应用反射波法，用手锤在桩头上施加一定的冲击力，在桩头产生向下传播的应力，产生反射信号，之后利用速度或者加速度传感器接受反射信号。再对反射波作出曲线分析，判断桩身是否完整。反射波的实现是建立在一维弹性杆纵波理论的基础上，将桩身视为一维匀质弹性体构件，当桩体受到能量较小的激振动时会产生弹性应变，弹性应变以应力波的形式向桩身下方传递，应力波传递的规律遵循一维波动方程，从而根据一维波动方程得到反射波的传递规律。

通过一维杆纵波理论测量桩基础完整性时，要求激振脉波的波长与被检测的桩基础的半径比值要大于10，否则测量无法实现。另外要求激振脉冲的波长与桩基础长度之间的比值要小，否则应力波在桩基础中的传播就类似于刚体，无法表现出明显的波动性，对桩基础完整性的判断产生影响。桩基础的横向尺寸、纵向尺寸与脉冲波之间的关系是相反的，对于直径较大的桩基础浅部检测就会表现出明显的缺陷，导致了应力波检测中尺寸效应问题。另外，应力波反射检测法会由于桩身的缺陷出现过渡性变化，或者当桩身存在缺陷的方向是横向或者纵向时，会导致测量信息无法通过波动曲线直观表现。

桩基常见问题分析

桩基常见问题包括缩颈、离析、扩径、断桩等。缩颈的主要特征是波速基本正常，在首波与桩底反射波之间出现同向反射波；离析的主要特征是波速低于平均波速，且在首波与桩底反射波之间出现同向反射波；扩径的主要特征是波速基本正常，在首波与桩底反射波之间出现反向反射波；断桩的主要特征是波速偏大、非常大，且在首波与桩底反射波之间出现同向反射波。

检测现场的问题分析

桩头处理

在通过低应变反射波法检测桩基的时候，要求传感器及敲击点设置在硬度较高、表面平整的混凝土中，且传感器与桩身呈现垂直状态。若是敲击点的位置落在桩基础顶部未凿净或是平整度不足的位置，就会导致应力波无法完全垂直向下传递，导致桩基础下部的信息被掩盖。

传感器

传感器的选择是低应变反射波桩基检测中的重要影响因素，要求传感器与桩基础相互匹配，一般情况下选择频率范围宽、灵敏度较高或者线性波动范围大的感应器。同时感应器与桩基础的耦合程度越高，测量结果也越准确，所以要求两者之间的粘结程度较高，通过粘结效果好的粘结物可以有效提高两者的结合度，同时减少杂波的收集。通过实践发现，在桩基础的顶部圆心敲击，传感器应该安装在距离桩基础中心2/3的位置。

激振锤的选择

激振波的形成是锤击产生的，而刚度较大的铁锤能够激发出脉冲宽度很窄的矩形波，对提高缺陷位置的分辨率有积极作用。但相应的信号会发生快速衰减，对桩身或桩底位置的测量非常不利。相比铁锤而言，刚度较小的尼龙锤激发出的波动频率宽度较高，有利于桩身及桩底的测量，但是难辨别出桩头的缺陷，所以需要根据测量需要选择相对应的激振锤。

检测人员的问题分析

在桩基础的检测过程中，要求检测人员的专业能力较强、做好记录，但目前由于检测人员的原因，检测存在以下问题：

在相关的检测规范中指出，低应变反射波检测技术仅应用于桩身完整性的检测，无法测量桩身的承载力。低应变反射波测量法想要判断测量桩承载力不足，则必须结合静载试验等方式检测。

反射波的波速与桩基础的混凝土强度之间不呈现对应关系，主要是由于反射波除了与桩基础的混凝土强度、桩身长短有关，桩基础混凝土的骨料品种、密度、水灰比甚至施工工艺等内容都会对反射波产生影响，所以认为桩基础的反射波与混凝土强度之间具有对应关系是错误的。

部分测量人员认为通过低应变反射波法检测桩基础完整性时，应该具有一个与入射波同时到达桩底部的反射波，但实际上，桩基础部分桩身的阻抗与持力层的阻抗相互匹配时，无桩底板反射波也是正常的。相反，对于嵌岩桩来说，若出现了与入射波相反的反射波时，则说明该检测方法是不合格的，应该使用其他方式检测嵌岩桩的完整性。

在相应的操作规范中，通过低应变反射法检测桩基础时，桩基础的顶面必须是平整与密实的，同时根据一维杆所建立的偏微分方程还需要保证桩顶部的自由。因此，若是承台已经浇筑完成，再采取低应变反射波法测量的做法是错误的。

检测经验

现场波速确定

由于科技及经验的限制，交通运输部及住房和城乡建设部规范中均未明确给出波速与强度的对应关系，现场输入波速在一定程度上需依靠经验。利用时域图分析桩身缺陷遇到阻碍时，为了得到更清晰、直观的图形，往往把记录下来的时域波形图进行振幅谱和功率谱分析。通常采集的是速度波，当桩底不明显时，需采集加速度波，使分析更明确。

传感器频率的选择

根据小应变的基本原理V=2L·△f，依据原铁道部规范给出的波速与强度对应关系，选择适当的波速，根据平时检测最短桩和最长桩计算出一个频率范围，选择传感器的频率应在这一范围内，且传感器频率响应应在±10%。例如，某桩基混凝土设计强度为C30，取V=3900，设所测最长桩基L1=5m，最短桩基L2=60m，将V、L1、L2代入V=2L·△f求得最大频率为390，最小频率为3.25，则选择传感器的频率应在3.25～390内，且传感器频率响应应在0.325～39范围内。

对嵌岩桩，要注意入岩与桩底的区别；对于普通桩或绝大多数摩擦桩，桩底反射波均为同向反射波。嵌岩桩入岩时，遇到岩石的强度大于混凝土的情况，会在入岩位置出现反向波，简单的理解为扩径。如果岩石层比较厚，将很难看到桩底。岩石强度较低，则会在桩底出现同向反射波，此处位置才是真正的桩底。

对于摩擦桩而言，土层出现变化也可能导致图形缺陷。因此，在桩基出现缺陷时，为防止误判，需根据甲方提供详细的地质资料综合分析判断。

结语

虽然低应变反射波测试法具有检测速度快、检测成本低及适用性强的优点，但是其应用理论，即一维弹性杆纵波理论与实践还存在差异，可能由于检测现场的疏忽导致测量结果有误。因此，要求检测工作人员掌握应力波与信号采集技术的相关理论知识、科学使用检测设备，掌握影响测量结果的诸多因素，并且结合长期的工作经验，准确地测量。