低应变法检测桩基础工程的桩身完整性研究

李卫庆，薛志成，裴 强

（1.广州市吉华勘测股份有限公司，广东 广州 511400；2.黑龙江科技大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000；3.大连大学 土木工程技术研究与开发中心， 辽宁 大连 116622）

低应变反射波法[1,2]是低应变动力试桩最常用的方法之一，其设备简便、成本低、方法快捷、检测结果较可靠，是检测桩身完整性的一种有力手段。实际工程基桩质量检测中，基桩质量在承担地基基础中的作用尤其重要，并经多年应用与研究，低应变反射波法得到广泛应用并已纳入广东省标及国家基桩相关规范[3-5]中。然而，施工现场地质条件复杂，不同的桩型和施工工艺以及检测人员的技术水平等因素都将会影响实测信号质量的采集，容易造成对桩身质量的错误判定，从而带来隐性的工程质量与安全事故。因此，本文基于以一维应力波为基础理论的低应变反射波法，结合工程案例，对不同类型的缺陷桩进行分析，研究实测波形曲线反射信号特证与桩身完整性之间的关系，为正确评价基桩质量提供参考。

1 一维弹性杆波动方程建立

低应变反射波法理论是以一维波动方程为理论基础，假定桩为一维线弹性杆，研究桩顶在激振力作用下产生应力波沿桩身向下传播的桩土体系动态响应。在满足波长λ小于桩长L，且波长λ大于桩径D的前提下，忽略土阻力变化，建立一维杆波动方程：

2 质点运动速度反射波和透射波与入射波的关系建立[6]

图1 波传播受土阻力及阻抗变化的影响

基于特征值法求解波动方程式（1），则有：

根据界面处力平衡和速度连续条件有：

不考虑界面附近土阻力分布及其变化，由式（2）和式（3）得到：

在低应变检测桩身完整性试验中，一般只考虑速度量，对桩身波阻抗或桩端界面变化处分三种情况进行讨论：

3 桩身混凝土强度与地区经验波速之间的关系

表1 桩身混凝土强度与地区经验波速之间的关系

4 低应变法检测桩身质量

基桩检测过程中，桩底反射信号与入射脉冲信号相位关系很大程度上取决于受检桩的持力层性状。无论是对于摩擦桩还是嵌岩桩，当桩身波阻抗大于桩端岩面阻抗时，桩底同向反射信号明显；当桩身波阻抗接近桩端岩面阻抗时，桩底反射信号不明显；当桩身波阻抗小于桩端岩面阻抗时，特别是受检桩的桩端嵌入较坚硬的岩层且桩底无沉渣时 ,桩底将会出现明显的类似扩径的反向反射信号。因此，正确评价桩身完整性，尤其对缺陷类型进行判定，应充分考虑桩型、地质条件及施工工艺。

4.1 完整桩的桩底反射波特征

图2为某住宅小区A栋楼20#摩擦桩实测波形曲线。该桩设计桩长16 m，直径1 m，桩身混凝土强度等级为C30。地质情况为：0～4 m为残积土层，4～17 m为粘土层。

图2 完整摩擦桩波形

从图2实测波形曲线可以看出：2L/c时刻前无同向反射波，桩底反射明显，混凝土平均弹性波速为3810 m/s，波速正常，桩身完整性好，故桩身完整性为1类。

图3为某中学综合楼6#嵌岩灌注桩实测波形曲线。该桩设计桩长22 m，直径1 m，桩身混凝土强度等级为C35。地质情况为：0～6 m为粘土层，6～19 m为砂土层，19～24 m为强风化花岗岩。

图3 完整嵌岩桩波形

从图3实测波形曲线可以看出：应力波沿桩身向下传播进入到基岩，出现明显的反向反射峰，这是由基岩反射得到的，并非来源于桩底反射。应力波传播至基岩，从基岩进入到桩端持力层，曲线尾部逐渐归零，桩底无明显的反射信号，表明桩身混凝土强度接近桩端岩面强度，桩端嵌入到较好的基岩；此外，混凝土平均弹性波速为3948 m/s，波速正常，桩身完整性好，故桩身完整性为1类。

4.2 缺陷桩的桩底反射波特征

图4为某花园小区住宅楼59#摩擦桩实测波形曲线。该桩设计桩长13 m，直径1.2 m，桩身混凝土强度等级为C30。地质情况为：0～8 m为砂质粘土层，8～14 m为砂土层。

图4 浅部缺陷桩波形

从图4实测波形曲线可以看出：2L/c时刻前，桩身约2.5 m处出现与入射波同向的反射波，该同向反射波起跳幅值较小，可判为浅部有轻微缺陷；2L/c时刻桩底有较为明显同向反射信号，混凝土平均弹性波速为3745 m/s，波速正常，桩身基本完整，故桩身完整性为2类。

图5为某小学教学楼81#摩擦桩实测波形曲线。该桩设计桩长20 m，直径1.2 m，桩身混凝土强度等级为C35。地质情况为：0～6 m为砂质粘土层，6～15 m为粘土层，15～21 m为砂土层。

图5 中部缺陷桩波形

从图5实测波形曲线可以看出：2L/c时刻前，桩身约9.9 m处出现与入射波同向的反射波，该同向反射波起跳不明显，且幅值较小，可判为轻微缺陷，2L/c时刻实测曲线尾部归零，即桩底无明显反射信号，混凝土平均弹性波速为4064 m/s，波速正常，桩身基本完整，故桩身完整性为2类。

图6为某中学F栋宿舍楼70#嵌岩桩实测曲线。该桩设计桩长18 m，直径 1.2 m，桩身混凝土强度等级为C35。地质情况为：0～7 m为砂质粘土层，7～13 m为强风化灰岩，13～20 m为中风化灰岩。

图6 明显缺陷桩波形

从图6实测波形曲线可以看出：2L/c时刻前，桩身约6.8 m处出现与入射波同向的反射波，该同向反射波起跳明显，且幅值大，可判为明显缺陷；2L/c时刻桩底先出现与入射脉冲同向的反射信号，紧接着出现反向反射信号，这类桩底反射信号特征说明该嵌岩桩桩底下可能存在沉渣。根据《建筑地基基础检测规范》（DBJ15-60-2008）9.4.4条～9.4.5条，该桩桩身完整性为3类。

4.3 沉渣嵌岩桩的桩底反射波特征[10-12]

图7为某商业楼107#嵌岩桩实测波形曲线。该桩设计桩长19 m，直径 1.2 m，桩身混凝土强度等级为C30。地质情况为：0～5 m为砂质粘土层，5～16 m为粘土层，16～20 m为强风化砂岩。

图7 某商业楼107#嵌岩桩实测波形

从图7实测波形曲线可以看出：桩底先出现与入射脉冲同向的反射信号，随后出现反向反射信号，说明该嵌岩桩桩底有沉渣，应力波传播至沉渣界面产生同向反射波，穿透沉渣层进入基岩后，经基岩反射出现反向反射波，分析表明，沉渣厚度较薄时，应力波可贯穿沉渣，并继续传播至基岩，然后反射回桩顶 。

图8为某民用建筑住宅楼3#嵌岩桩实测波形曲线。该桩设计桩长17 m，直径 1.2 m，桩身混凝土强度等级为C35。地质情况为：0～4 m为残积层，4～10 m为粘土层，10～15 m为砂土层，15～18 m为中风化灰岩。

图8 某民用建筑住宅楼3#嵌岩桩实测波形

从图8实测波形曲线可以看出：桩底只出现与入射脉冲同向的反射信号，说明该嵌岩桩桩底有沉渣，应力波传播至沉渣界面产生同向反射波，因沉渣厚度较大，应力波无法穿透沉渣层进入基岩进行第二次反射。分析表明，沉渣厚度较大时，应力波到达桩底后被沉渣层阻隔将会无法到达桩底基岩。

5 结论

（1）2L/c时刻前出现同向反射信号，当同向反射波幅值较小时，桩身缺陷为轻微缺陷；当同向反射波幅值较大时，桩身缺陷为明显缺陷。

（2）当桩身波阻抗大于桩端岩面阻抗时，桩底同向反射信号明显；当桩身波阻抗接近桩端岩面阻抗时，桩底反射信号不明显；当桩身波阻抗小于桩端岩面阻抗时,桩底与岩面可以看成是一个整体，桩底将会出现明显的类似扩径的反向反射信号。

（3）桩底沉渣厚度较薄时，应力波可穿透沉渣层，并继续传播至基岩并反射回桩顶 ；沉渣厚度较大时，应力波到达桩底后被沉渣层阻隔将无法到达桩底基岩。对于嵌岩桩，桩底反射波与入射波相位相同时，桩身完整性判为3类。