桩基检测中的两种工程物探方法影响因素分析

王磊 顾广宇

摘  要：通过对声波透射法、低应变动力法的原理及方法比较，分析了工程物探方法的应用范围及各自优缺点。声波透射法准确性高，但是受场地环境制约因素比较多，能够高效快捷地找到缺陷、问题存在的位置、区域及类型，在工程中得到了广泛的应用，而其检测过程相对繁琐。低应变动力检测法便捷灵活，速度较快，费用不高，经济环保，在普通民用住宅及橋梁桩身完整性检测中应用比较广泛。

关键词：工程物探;桩基检测;声波投射法

中图分类号：TU473.14      文献标识码：A      文章编号：1007-1903（2018）04-0071-05

0 引言

工程物探应用于工程基础、管网、市政等工程，在地下管道、采空区、滑坡及考古工程领域应用广泛。主要方法有探地雷达、瞬变电磁、瑞雷波、反射波、高密度电阻率等基本物探手段。城市基础设施建设势必带动工业与民用建筑的开发利用，建筑体的性能和质量关系到每个人的生命财产安全。桩基础工程是隐蔽工程，其安全性决定了基础工程的牢固耐用程度。如何保证在数据采集过程中排除不利因素的干扰，同时选择合适的判读方法进行数据处理，是桩基检测工作的重要一环。研究工程物探方法在桩基检测中的应用，可更好地在隐蔽工程中发挥物探的作用。

1 低应变动力检测

1.1 原理及方法

低应变反射波法的主要是检测桩身结构的完整性和桩身长度，如夹泥、扩径、缩径、断桩等桩身质量问题。这里以武汉岩海公司RS-1616K仪器为例（图1），利用尼龙锤（或力棒、钢棒）在桩头混凝土新鲜面施加一小冲击扰动力F（t），激发一应力波沿桩身传播，然后利用高阻尼速度计或加速度计接收信号（由初始信号、桩身缺陷或桩底反射信号）组合的时程曲线，经仪器存储记录并用分析软件V2.72进行信号放大、平滑、滤波等处理后，得到加速度时程曲线。通过显示曲线形态特征可以研判阻抗缺陷所在位置和分析桩长，由平均波速大小确定混凝土强度等级，再结合有关地质资料和桩基施工记录做出对桩身完整性的整体质量判别。波速C向下传播，应力波通过桩阻抗z （Z ： AC） 变化界面时一部分应力波产生反射向上传播，其它部分应力波向下传播至桩端，在桩端处又产生反射，砼速度C及缺陷深度L可按下列公式计算：

式中：L为测点下桩长（m）;ΔT为速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差;Δtx为速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差;Cm为桩身波速的平均值（m/s）。

1.2 实际检测过程中影响因素分析

（1）低应变反射波法受地层变化影响较大，检测精度相对较低，且检测结果受桩长和桩径影响较大，一般适用于桩径较小、桩长较短的灌注桩。该方法检测简便、速度快，但如何获取好的波形，如何较好地分析桩身完整性是检测工作的关键。

（2）传感器的阻抗程度、灵敏性、测量及频率响应的范围是决定反射波信号精确度的直接因素。当阻抗界面发生了异常现象，则可以表明基桩中存在明显的问题或可能发生的风险（许颜等，2011）。

（3）锤击能量的大小对其检测结果的正确性具有关键性的作用，受土方与基桩的影响，桩身混凝土的弹性在这种桩土相互合作的情况下，其弹性会受到一定的影响。如果在锤击能力较小的环境下，应力波的传播直径会变短，能够潜入到基桩地下，检测到其存在的安全问题（图2）。而当锤击能力过大时，会导致基桩周围的应力波反射信息不准确，进而形成检测盲区（图3），给后续判断基桩浅部是否存在缺陷带来极大的影响。

（4）低应变检测过程中对桩头的处理程度及锤击速度、混凝土强度及桩头处理好坏要求都非常高，若有偏差及操作不当会导致信号失真至最终的误判。以笔者在同一工地、同一环境下采集到的正常波形比对（图4），理想的检测效果是处于桩砼新鲜面之上，桩头清理不干净、有浮浆破碎面会导致波形失真、引发误判（图5）。实际检测中如锤击点位在桩顶的具体位置，锤击点与传感器之间的位置关系，耦合剂的选用是否合适，桩基周围土层的变化等对低应变反射波法检测都有一定影响。在实际检测中影响检测结果的因素有很多，这需要有经验丰富的检测工作人员尽早发现，理性分析，合理解决。

（5）砼强度必须保证龄期足够的状态，现实工作中往往因为业主单位需要或是某些特殊情况，在桩身养护不到位、混凝土龄期不够的情况下开展检测工作，这会很大程度上影响检测效果，会导致波速比正常桩波速低很多。对比不同日期检测到的波形（图6），这种情况下，即使波形上反映无桩身缺陷，桩的竖向抗压强度也远远达不到设计承载力要求。

（6）以笔者多年在低温环境下进行低应变动力检测的实际效果为例，当传感器与桩头界面耦合时，对耦合剂的选择也至关重要，一般情况下采用的是黄油、石膏或者橡皮泥，若是采用黄油和橡皮泥，低温情况下（零下25℃以下）会导致速度计与桩头脱节，检测效果非常差，所以在超低温环境下要采用耦合效果更好的产品进行检测，比如凝胶、粘合剂，这样才会保证采集理想的波形。

2 声波透射法

2.1方法原理

当桩身砼内部有夹泥、离析、空洞等缺陷时，超声波在遇到缺陷时会发生绕射，声时加长，从而导致波速降低发生反射和散射，导致能量衰减，波幅降低，由于多种波形的相互影响和叠加，会使波形发生畸变。因此，根据超声波在混凝土中传播过程的多种声学参数的变化，可以判断混凝土中是否存在缺陷、裂缝破坏及存在位置、深度，对桩身完整性和桩身质量类别进行判定。主要测试声参量有声速、波幅、 PSD 值、主频及波形图（刘德贵等，2009;邓国文等，2013）。

这里以武汉岩海公司生产的RS-ST03D（T）非金属超声仪为例。将换能器置于两根声测管中的测点位置。二个换能器测点间距不宜大于20cm。这时我们需要观测记录时程曲线，读取声时、首波峰值、周期值、频谱曲线及主频值等参数数据。将多根声测管以两根为一个检测剖面进行组合，对所有剖面进行声波测量。在可能存在缺陷测点周围，应加密测点（采用斜测或扇形扫测）进行复测（图7），进一步确定缺陷范围。在同一根桩检测时，针对各个剖面调节和设定过程中的发射电压、检测参数应一致。

2.2 影响因素分析

（1）砼强度对波形的影响：超声波是一种弹性波，在混凝土介质的传播服从弹性波的传播规律，其波形和传播速率随砼强度的变化而变化，砼强度越高，其传播速度越快。如果砼介质完整性好，质量均匀，则其波形完整，波速正常，波幅均一性完好。

（2）声测管：声速的计算需要考虑精度因素，对声测管管距测量要精确，因此要考虑声测管壁的厚度和管径的大小，误差不能超过1%。

（3）声测管接头产生异常。多个声测管相连接的时候，换能器位于接头位置会发生声参量异常现象，测点振幅增大，声速本身没有变化（孟新秋等，2017）。这时要继续采用斜测法进行验证（同一位置），进一步查明是不是接头不正确导致出现了异常。

（4）声测探头提升速度也会影响测量质量。检测过程中探头如果没有匀速提升，探头发生倾斜颤动或摇晃时波形会产生畸变（在桩底和桩顶部位明显），严重时还会对首波误判，影响最终对桩身质量的判别。快速提升波形紊乱（图8），匀速提升波形较好，首波判读无误（图9）。所以，提升探头要匀速缓慢，防止外界认为活动干扰，静心进行。另外在提升过程中探头尽量保持对齐，由于测绳、管径或人员站位角度不同等因素，探头距离过大会导致速度降低，所以在提升过程中应保持探头间同步（刘德华等，2018）。

（5）对于高寒地区，声测管在冬天灌入水后表层会结冰，这时一定要考虑误差，因为冰水层会导致波速和声幅降低，影响采集信号的规则性。因此声波检测法对环境温度的要求比较高，只有在特定环境和经济条件下选择不同的检测方法和手段，保证现场采集信号的真实性和精准性是检测环节最为重要的条件，室内分析研判和最终检测成果的出具都要依托现场最为真实可靠的检测原始记录。

3 结论

（1）声波透射法检测中，除了桩身本身存在有缺陷外，检测过程中的声测管接头、提升速度、声测管质量问题、混凝土养护和龄期、环境温度和检测人员水平等是影响检测结果的非常重要的因素，应该引起我们足够的重视。

（2）传感装置是有利于收集桩基相关信号的重要核心设备，是低应变动力检测中非常重要的信号采集装置，其灵敏性和使用方法及保养程度决定波形好坏，如何保证在检测过程中装置与桩身更紧凑的融为一体，是精准的接收到完美信号、获取最精确的数据的前提，对最终的研判起到决定性的作用。

（3）声波透射法可以检测全桩各横截面积砼质量情况，其结果比低应变法更直接可靠，同时不受长径比和桩长限制。

（4）以现有的检测方法和仪器，灌注桩质量检测中最普遍的方法是低应变动力检测和声波透射法，这两种检测方法有各自的適用范围和优缺点。

（5）无论是低应变还是声波透射法检测，都要等到桩身混凝土龄期超过28天之后待检测，时间过短采集不到真实数据。而且桩头一定要待施工方清理干净漏至混凝土新鲜面使传感器利于粘合的状态下方可检测。

参考文献

邓国文，王齐仁，化得钧，等，2013. 声波透射法在桩基检测中的应用[J]. 工程勘察，41（6）： 92-95.

刘德贵，姚勇，王宁，2009 . 超声波透视法在桩基检测中的应用[J]. 路基工程，（2）： 159-161.

刘德华，闫永辉，李东海，等，2018. 声波透射法桩基检测过程中的影响因素与控制措施[J]. 市政技术，36（4）： 227-228.

许颜，耿盛楠，李松然，2011. 低应变动力检测技术在桩身完整性检测中的应用分析[J].中州煤炭，33（11）： 32-33.

孟新秋，马健，刘丽，2017 . 声波透射法桩基检测非缺陷性影响因素[J]. 土工基础，31（6）： 771-774.