低应变反射波法检测技术在工程中的应用

黄智波

（健研检测集团有限公司）

1 引言

随着我国建筑行业的蓬勃发展，桩基础得到了广泛应用，然而其质量的好坏直接影响到上部结构的安全性。因此，对桩基础进行相应检测，评价桩基础的质量，对整个建筑结构具有重要的意义。

目前，桩基检测主要是对桩基的承载力及桩身完整性进行检测。桩基承载力检测主要采用静载试验法，而桩身完整性检测可通过钻芯法、低应变法、高应变法、声波透射法等实现[1]。低应变法作为一种无损检测方法，根据作用在桩顶激振方式的不同，又可分为机械阻抗法、球击法、反射波法、参数动力法、水电效应法等[2]，其中低应变反射波法不仅可以为高应变法、静载试验法等确定桩位，而且当静载试验法出现不合格桩后，可通过低应变反射波法加大检测面[3]。同时该方法具有快速、便捷、经济、结果可靠等优点，越来越受到桩基检测人员的关注。

2 低应变反射波法检测原理

2.1 理论基础

低应变反射波法将桩假设为一维线弹性杆件[4，5]，因此其满足一维杆件的波动方程。当桩顶施加某一激励时，入射波以波速C 由桩顶向桩底传播。入射波在传播过程中遇到桩身出现诸如缩径、扩径、断桩、离析等缺陷时，均会在缺陷部位产生反射波和透射波。根据应力波理论，透射波波速Vt和反射波波速Vr可表示为：

式中，

Vi——反射波波速；

Z1、Z2——缺陷处上下界面的阻抗，Z1、Z2根据公式

Z1=C1ρ1A1，Z2=C2ρ2A2确定；

C1、C2——缺陷处上下界面的波速；

ρ1、ρ2——缺陷处上下界面的质量密度；

A1、A2——缺陷处上下界面的截面积。

由式⑴可知2Z1/(Z1+Z2)＞0，因此透射波总是与入射波同相。由式⑵可知反射波的相位取决于缺陷处上下界面的阻抗Z1和Z2，当Z1＞Z2时，反射波与入射波同相；当Z1＜Z2时，反射波与入射波反相。

2.2 基本原理

利用小橡胶锤在待测桩顶施加竖向激振荷载，由激振产生的应力波将沿桩身向桩底传播，根据安装在桩顶的传感器采集反射波的波形曲线，通过计算机相关软件对波形曲线进行分析，并且结合地质资料、施工记录等对桩身的缺陷作出判断。低应变反射波法测桩的原理图如图1 所示。

图1 低应变反射波法测桩原理图

3 桩身完整性判定

根据成桩质量不同，桩身的缺陷主要有断裂、缩径、扩径、夹泥、离析等类型。对于完整桩，其时域波形图只在底部出现同相或反相的反射波。而断裂桩的时域波形图波幅较大，出现多次反射，并且无桩底反射波；缩径桩的时域波形图在缩径部位出现同相波幅，无多次反射，具有桩底反射波；扩径桩的时域波形图在扩径部位出现反相波幅，无多次反射，具有桩底反射波；夹泥桩的时域波形图在夹泥部位出现同相波幅，出现多次反射，其波速一般检测不到；离析桩的时域波形图在离析部位出现同相波幅，波幅有大有小，一般也会出现多次反射，轻度离析桩具有桩底反射波。

对于缺陷的程度，一般根据反射波的幅值进行定性确定，缺陷的位置则根据L=C Tx/2 确定。C 为弹性波波速，Tx为反射波时间。

综合波形图分析、地质资料、成桩工艺等《建筑基桩检测技术规范》按桩身的完整性将桩分为Ⅰ类桩、Ⅱ类桩、Ⅲ类桩、Ⅳ类桩。其中Ⅰ类桩为桩身完整的桩；Ⅱ类桩桩身有轻微缺陷，但不影响桩身结构的承载力；Ⅲ类桩桩身有明显缺陷，对桩身结构的承载力有一定影响；而Ⅳ类桩桩身存在严重缺陷。

4 工程实例分析

福建省南安市某建筑工程为10 层框架结构，基础采用冲（钻）孔灌注桩，桩径1000mm，桩身混凝土强度等级为C30。根据地勘报告，场地土层至上而下分别为：①杂填土：褐灰、黄褐色，人工回填土，以细砂、卵石为主，厚度为2.90～3.80m；②卵石：灰褐、灰黄等色，多为硅质或长英质，厚度为3.80～6.50m；③残积砂质粘性土：黄褐、灰白色，多为花岗岩风化土，石英粗颗粒含量5～20%，厚度1.10～4.80m；④全风化花岗岩：灰褐、黄白色，花岗岩强烈风化，岩芯呈土状，含约35%的长英质砾级颗粒。稍湿，坚硬，厚度为1.20～2.30m。⑤强风化花岗岩：灰褐、黄白色，花岗岩强烈风化，岩芯松散，呈砂土状，含有大量的石英砾级颗粒，稍湿，极硬，厚度为1.90～5.20m；⑥强风化花岗岩：灰褐、黄白色，花岗岩强烈风化，岩芯松散，呈碎屑状、碎块状，含有大量的石英砾级颗粒，厚度为1.80～3.30m；⑦中等风化花岗岩：灰褐、灰白色，花岗岩节理、裂隙较发育，岩体较破碎，岩芯呈块状或短柱状，厚度大于5.0m。

利用低应变反射波法对场地内的桩进行动力检测，结合钻芯法对评判结果加以验证。

4.1 桩身类别为Ι 类桩

图2 为57#桩的低应变时域波形图。由图2 可知，桩长为17.70m，0m 处为入射波峰，该波形曲线完整，桩身无缺陷反射波，只在底部出现同相的反射波，且底部反射波清晰，波速为3700m/s。符合完整桩的时域波形图，因此初步判断该桩为Ⅰ类桩。图3 为57#桩的钻孔芯样。芯样图表明，该桩连续、完整，桩身混凝土密实，未出现断裂、夹泥、离析、麻面等缺陷。判断桩身完整性类别为Ⅰ类桩。以上两种方法判断的结果一致，因此判断该桩桩身完整性类别为Ⅰ类。

图2 57# 桩低应变时域波形图

图3 57# 桩钻孔芯样图

4.2 桩身类别为Ⅱ类桩

图4 为67#桩的低应变时域波形图。由图4 可知，该桩桩长为14.30m，0m 处为入射波峰，波速为3720m/s，波形曲线连续，波底有较清晰的同相反射，在桩身3.2m 处出现幅值较低的反射波，初步判定该桩在3.2m 处具有轻微缺陷，为Ⅱ类桩。结合钻孔芯样，如图5，该桩3.5m 处芯样侧面有轻微的蜂窝麻面，其它部位芯样较密实，并未有缺陷。两种方法判定结果基本一致，因此判断该桩桩身完整性类别为Ⅱ类。

图4 67# 桩低应变时域波形图

图5 67# 桩钻孔芯样图

图6 76# 桩低应变时域波形图

图7 76# 桩钻孔芯样图

4.3 桩身类别为Ⅲ类桩

图6 为76#桩的低应变时域波形图。该时域波形图存在较为明显的异常，在5m 左右出现同相的反射波，反射波幅值较低，且桩底反射波信号不明显，结合断裂桩的时域波形图特征，该桩并无多次幅值较大的反射，而桩底有较弱的反射波。因此初步判断该桩不是断裂桩，但是该桩与断裂桩的时域波形图有类似特征，并且结合地质资料，该桩在5.0m 处为卵石，由于冲（钻）孔灌注桩在遇到卵石施工时，如不采取恰当的处理措施，成桩后的桩身容易出现缺陷。因此初步判断该桩在5.0m 左右处出现局部破碎。图7 为76#桩的钻孔芯样，由芯样图可见，该桩在5.2m 处出现了局部破碎，破碎段长度小于10cm，其它部位桩身完整，无缺陷。结合两种办法判断该桩桩身完整性类别为Ⅲ类。

由以上两种检测方法可知，低应变反射波法与钻芯法检测结果基本一致。

5 结论

利用低应变反射波法对福建省南安市某工程实例中的Ⅰ类完整桩和Ⅱ类、Ⅲ类缺陷桩进行时域波形图分析，判定桩身的完整性。并结合取芯法对三种类型桩加以验证，两种检测方法得到的结果较一致，认为低应变反射波法是一种较为有效的无损检测方法，本文对工程实例的分析也为桩身完整性判定提供了实际工程经验。●