反射波法进行桩基无损检测的可行性研究

2018-08-29欧思猛

四川水泥 2018年9期

欧思猛

（泉州市交通建设工程试验检测有限公司，福建泉州 362000）

近几年，桥梁基桩建筑结构当中越来越会用到混凝土灌注桩基础。对于桩的成型而言，地质条件、施工技术、施工工艺和管理水平都会让其产生缩颈、离析、夹泥、蜂窝甚至断裂的质量问题都不能保证桩体质量，使其不能承受过多的承载力。由于大部分桩身结构的位置都是布置在地下，所以很容易出现安全隐患，危害到桥梁桩本身造成工程事故,以前我们都是采用静荷载试验和钻孔取芯法对桩身质量进行检测。桩的承载力和沉降量可以通过静荷载反应得到直接结果；桩身砼通常都是通过钻孔取芯法得到直接结果。但这两种方法的检测设备质量很大，并且会出现成本高、工期长、检测数量少等缺点，不能全面性的评估整个工程质量。所以，现在，桥梁桩建筑结构间当中都在使用桩基无损检测新技术。在桩基无损检测新技术当中运用反射波法，不仅可以快速、便利地对桩基质量进行检测，还能在桩基无损伤的基础上降低监测成本，这种桩基质量检测方法不仅实用，还很科学。

1 反射波法基本原理

在波动理论中，我们可以把桩看做一种弹性杆件，它的横截面积、材料密度和弹性模量之间的函数关系用桩阻抗表示：

在瞬时激振力作用下会产生弹性波，波的传播路径是从桩顶到桩体，如果在传播过程中遭遇到缩颈、扩颈、离析、夹泥甚至断裂等桩身缺陷的波阻抗界面，波就会在此基础上出现反射和投射，如图1 所示，反射波从桩顶返回，在波阻抗差异界面处和桩顶原有振动波形叠加，当界面两边产生的总作用力和速度都分别相等时，则：

上述式子中，I表示入射波，R表示反射波，表示透射波；V 表示质点速度，

表示应力； A1, A2分别表示桩两边的横截面积， Z1,Z2分别表示波阻抗；反射系数用由式（3）可知：

当Z1＜Z2,α＜0时，反射波速度与入射波速度信号同相。其中，当，桩的横截面积不会发生改变，应力波从软质材料向硬质材料进行传播；当，也就是 A1＜ A2时，桩的横截面积增加就会出现扩颈现象。

2 反射波检测法的方法解析

锤在对桩头进行敲击时就会产生振动波，振动波由纵波和横波组成，当波从桩身传播到桩底产生反射，反射波通过桩头的检波器进行接收，这就是反射波法的检测原理。振动信号会在桩基动测仪当中进行记录，再通过计算机当中的相关程序进行处理，就可以得到横波或者纵波的振动波形和相位，进而通过这两种结果来对桩的质量进行判断。

2.1 弹性波在不同介质面上的反射和投射

如果弹性波的传播过程是从一种介质到另一种声阻抗介质进行垂直界面传播，那么这是就可以根系正入射的问题。当弹性波处于界面位置，不管是波处于哪一种介质下，都会产生扰动，

波在这两种介质下进行传播会发生反射波和透射波。当波处于这两种介质界面是，通过能量守恒定律，我们可以得到：

上述式子中，I表示入射波，R表示反射波，表示透射波；V 表示质点速度，σ表示应力；通过波阵面动量守恒条件转换的公式为：

把上述两个式子联立求解可得：

声阻抗比值n可以直接确定反射系数F 的值，两种介质声阻抗的相对大小值可以决定F 的正负。

由此，我们可知

2.2 弹性波在变截面杆中的反射

变截面杆中横截面积会发生变化，应力波在这种情况下会发生反射和投射，这时，横截面面积的总作用力可以和两侧应力相等条件进行替代，也会产生相同的速度信号，即：

如果界面两边出现相同的声阻抗，弹性波的反射和透射只是会出现在截面积的间断上，材料的阶梯状杆中，n = A1/A2，A1, A2的相对大小可以确定F的正负；当A1＜A2,n＜1时，反射波速度与入射波速度信号同号，可以加载反射；当A1＞A2,n＞1时，反射波速度与入射波速度信号异号，可以卸载反射。

3 模型桩实验结果

3.1 断桩

断桩的产生原因多种多样，所以断桩也会以各种各样的形式存在，但是不管是什么形式的断桩都会出现相同的反射效果，在断桩界面，反射信号要和入射波的信号同相位。

1＃模型桩的实测波形图如图1所示，这个桩属于沉管灌注桩，它的长度是4米，直径是φ480mm。在图中，当他和庄顶相差1.6到1.8米时就可以设置为断桩，在图中我们可以发现波形没有规律可言，上下幅值也成不对称状态。断桩处的反射波用T1表示。

图1 1＃模型桩实测波形图

3.2 离析、缩颈桩

在弹性波的基本理论当中，我们知道反射波的相位和入射波的相位会在离析、缩颈缺陷界面时同相，但是如果桩身当中出现离析缺陷，整个桩的平均波速都会被减少，只是缩颈不会让应力波波速产生变化。

2＃模型桩的实测波形图如图2所示。这个桩的长度是7.2米，直径是φ480mm，图中，在相距4.1m的位置处会产生缩颈，这个缩颈是人工制作的，在图中，我们可以发现波形没有规律可言，缩颈处的反射波是用T1来表示。

图2 2＃模型桩实测波形图

3＃模型桩的实测波形图如图3所示。这个桩是沉管灌注桩，它的长度是7.12米，直径是φ480mm，在制作过程中，首先需要向它灌注2.0米厚的砼，砼的型号为200＃，然后再向它灌注1.5米厚的砼，砼的型号为100＃，最后再向它灌注砼，砼高度要和桩顶一致，砼的型号为200＃，我们可以发现波形没有规律可言，离析处的反射波是用T1来表示。

图3 3＃模型桩实测波形图

4 工程实例

（一）图 1是某桥的一条灌注桩的实际检测曲线，这条灌注桩是完整的支撑桩，桩的长度为24.0m,桩的直径是1.0m,波速是3800，桩的顶端会出现显著反射，且不会出现缺陷反射波。

(二)图2是某桥的一条灌注桩的实际检测曲线，桩的长度为42.9m,桩的直径是1.5m，在检测之后我们发现桩身6cm位置出现严重缺陷，桩身在经过抽芯验证后，具备完整质量。在开挖之后，我们发现，桩身到桩顶6.2m处进行扩径，先扩到1.78m处，再扩到2.16m处，我们会发现，反射发展6.3m处突然变回到1.66m位置。

（三）缺陷桩。图 3是某桥的一条灌注桩的实际检测曲线，这条灌注桩属于支撑桩，桩的长度为24.5m,桩的直径是1.2m，桩的端部不发现显著反射，我们可以在桩身的11m位置检测出缺陷反射波，反射现象明显，由此我们知道桩身11m位置出现严重缺陷，后来我们在通过开挖之后看出，桩身11m位置出现严重缩颈现象。