时域反射法探测桩身缺陷的模型试验研究

齐 添，李水江，童艳光，杨 军，赵亚宇

（1、广州环保投资集团有限公司 广州510330；2、广州市市政工程试验检测有限公司 广州510520；3、华南理工大学土木与交通学院 广州510641）

0 引言

目前常用的桩基完整性检测方法包括低应变法、高应变法、声波透射法、钻芯法和管波法等，各种方法均有其优势以及局限性。例如，低应变法简便、效率高、成本低，但对于复杂地层条件和较小缺陷的桩身完整性评判效果不佳；高应变法对桩身完整性判定效果较好，但操作复杂、成本高、效率低；声波透射法可以进行不同桩长和缺陷数量的桩身完整性检测，但无法识别桩底沉渣和水平细微裂缝等；钻芯法可以获得直观的检测结果，但无法反映未钻孔部位的桩身完整性［1-9］。

时域反射技术（Time Domain Reflection，TDR）是近年来新兴的一种绿色环保无损检测技术，因具有方便、安全、经济、数值化以及可远程控制等优点，被广泛应用于各种物体形态特征的检测和空间定位。由于时域反射技术可以精确检测土壤含水量和导电性能等性能，TDR 广泛应用于土壤物理参数的测定，可以用于获取土壤的水热动态和物理参数、鉴定土壤的污染情况，并进一步运用于地质水文条件和地质灾害的检测和判定［10-15］。李海涛等学者分别研究了时域反射技术对于溶洞塌陷监测、道路边坡监测和滑坡监测等方面的应用，取得了较好的应用效果［16-18］。然而，该技术在桩基施工质量缺陷检测方面鲜有应用。

本文以时域反射技术检测桩基完整性为研究对象，设计和加工了不同缺陷模型桩开展测试，进行时域反射法检测和评价桩基缺陷的试验研究，着重探讨了不同影响因素作用下，TDR 技术对桩身缩颈（夹泥）缺陷的检测效果，并对比分析不同桩周土体（非饱和、饱和）状态中电磁波测试信号的变化规律。

1 测试原理

时域反射法原理如图1 所示，通过测量电磁波的传播速度来识别传输线特性的一种检测技术。时域反射计是一种基于时域反射法的电子测试仪器，该仪器激发阶跃函数或正弦脉冲电磁波信号，该信号会在故障点发生反射，所产生的反射波被识别后可以用来判断故障的位置和情况。

图1 典型TDR设置的等效电路Fig.1 Equivalent Circuit for Typical TDR Settings

TDR 测试仪激发的电磁波信号在钢筋笼主筋和导线构成的传输线上进行传播；在遇到桩基钢筋笼周围环境的介质改变时，其阻抗就会发生变化，进而会导致电磁波信号发生反射；TDR 测试仪接收器接收反射信号并实时反映到示波器上，形成电磁波时域反射曲线图，图2为基于TDR的基桩缺陷检测系统。

图2 基于TDR的基桩缺陷检测系统Fig.2 Defect Detection System of Pile Foundation Based on TDR

通过对图2 中电磁波时域反射曲线图的分析，可以对电缆阻抗变化位置和程度实现有效判定，进而实现桩基完整性检测的目的。其中，通过估算电磁波发射时刻与阻抗失配端回波到达时刻之间的时间间隔△t 和电磁波传播波速vp，可以计算出阻抗不匹配位置，如式⑴所示:

式中:L为阻抗不匹配位置，当阻抗不匹配为桩端时，L=L0（L0为桩顶到桩底的距离）；当阻抗不匹配为桩间时，L=Li（Li为阻抗不匹配点的位置）；i 为阻抗不匹配点数。

2 缺陷模型桩测试试验

本次试验在3种不同环境下对不同类型的模型桩进行测试:①模型桩置于空气中；②模型桩埋入干土中；③模型桩埋入湿土中。传输线采用与钢筋笼主筋并排设置的线缆，再使用时域反射技术生成和检测电磁波反射信号。时域检测法的仪器设备主要包括:TDR200 时域反射计和测试线缆。TDR200 时域反射计可准确测量土壤体积含水量、土壤容重电导率、岩体变形以及斜坡稳定或自定义时域测量。测试线缆为SYV50-3 同轴电缆，阻抗为50±2Ω，电磁波传播速度为66%vc（vc为光速，vc=3.0×108m/s）。

如图3所示，本次试验模型桩为长1.0 m，直径0.6 m的圆柱形桩段。钢筋笼的直径和高度分别为0.4 m 和1.2 m。钢筋笼由8 根φ 18 的主筋和5 根φ 8 的圆形加强箍筋组成。主筋以等间距排列成圆形。加强箍筋从底部按间隔0.2 m 安装。主筋和箍筋之间连接方式为焊接。采用42.5 MPa 的普通硅酸盐水泥，粒径为0.1～2.0 mm 级配良好的水洗河砂，水泥∶砂子∶碎石∶水=1∶1.862∶2.794∶0.45。混凝土标号为C30。

图3 模型桩设计与测试试验Fig.3 Design and Tests of Model Piles

模型桩共制作3 个，单缺陷桩缺陷尺寸为10 cm×10 cm×12 cm、20 cm×10 cm×12 cm 和30 cm×10 cm×12 cm，双缺陷桩的缺陷尺寸为10 cm×10 cm×12 cm。采用预埋聚苯乙烯泡沫塑料块的方式模拟桩的缺陷。混凝土浇筑并按标准养护28 d后，将桩体从PVC 圆套筒中取出，并移除泡沫塑料块。随后分别在空气和砂土中进行检测试验，研究土体饱和程度对测试结果的影响。传输线缆预先绑扎在钢筋笼主筋上，传输线接线采用2根线缆并联。

3 结果分析与讨论

3.1 周围介质的影响

3.1.1 空气中的模型桩

空气中3 根模型桩的测试信号如图4 所示。总体来看，在模型桩缺陷段和桩底位置能看到较清晰的反射信号。对于无缺陷模型桩，桩身范围内电压信号基本稳定，桩端位置因开路阻抗增大出现正向反射；对于单缺陷模型桩，当缺陷靠近桩身中部时，缺陷位置对应信号反射特征最为清晰，当缺陷靠近桩顶时，因受桩顶反射波形叠加影响，该位置反射特征不太清晰，靠近桩底时也将对桩底反射信号造成叠加干扰；对桩身具有连续缺陷分布时，上部缺陷较为明显，下部缺陷因透射电磁波能量减弱，其振幅有较明显的削弱，其他规律则与单缺陷时基本一致。从电磁波传播时间来看，模型桩P1的4根线缆位置均被水泥浆完全包围，周围无缺陷，测量信号的传播时间几乎相同，约为17.62～17.79 ns 之间（平均速度为1.13×108m/s）。相比无缺陷桩基，带缺陷模型桩中电磁波传播时间略微有所减小，其桩底平均反射时间约为17.54 ns。

图4 空气中模型桩时域电磁波反射曲线Fig.4 Time Domain Electromagnetic Wave Reflection Curves of Model Piles in the Air

3.1.2 土体中的模型桩

图5给出了模型桩位于干土和湿土中时测得的时域电磁波反射曲线。由图5a可以看出，当桩身无混凝土浇筑缺陷时，不论模型桩位于空气中还是不同含水率的土体中，其时域电磁波反射曲线基本不发生变化，这也证明线缆内电磁波仅仅受其周围很小半径范围（半径小于钢筋保护层厚度）介质材料性质影响。同样，当缺陷位于桩顶位置附近时，电磁波反射信号发生叠加，缺陷判别十分困难。对于有连续缺陷分布的情况，受上部缺陷反射波信号叠加干扰，下部缺陷波形特征有所减弱。

图5 土体中模型桩时域电磁波反射曲线Fig.5 Time Domain Electromagnetic Wave Reflection Curves of Model Piles in the Soil

与空气中的反射波形相比，缺陷位置反射波振幅因传输线周围介质阻抗减小而降低。从电磁波传输速率来看，土体中无缺陷模型桩的平均传输时间为17.71 ns，与空气中模型桩基本一致。

3.2 测试电磁波信号特征

时域电磁波反射技术是将产生的阶跃函数作为输入信号，实测波形与理论输入信号波形存在差异，主要与测量信号的上升时间退化（即信号失真）有关，即由电磁波在传递过程中发生衰减、频散、介质不连续等原因引起。由上述分析可知，阻抗差异界面上升时间衰减使得很难区分2 个相邻的不连续面（缺陷）。导致测量信号的上升时间降低的原因可能为:①TDR设备与同轴电缆的连接；②同轴电缆和传输线（外接线缆）之间的连接；③由周围材料（如混凝土）的高导电性引起的衰减和频散；④颈缩缺陷在传输线上产生2 个不连续界面。当TDR 产生阶跃函数时，信号失真通常发生在感应不连续（即横截面变化）和由于介电特性变化而引起的阻抗变化之中。

3.3 桩身电磁波传递速率

模型桩中电磁波的速度由往返行程距离与时间之比计算，本次试验波速计算结果如表1所示。

模型桩P1 在空气中的电磁波传播速度为1.13×108m/s，与土体中传播速度基本一致。换句话说，当传输线周围不存在缺陷时，在配置双轴线缆构成的传输线上传递的电磁波不受模型桩周围土体性质影响。带缺陷模型桩在空气中的电磁波传递速率（1.13×108m/s～1.15×108m/s）普遍大于无缺陷桩的传递速率（1.13×108m/s），这是因为电磁波速率受周围材质介电常数的影响。

电磁波在无缺陷桩中的传播速度取决于混凝土的介电常数，而电磁波在有缺陷传输线上的传播速度则同时取决于空气和混凝土的介电常数。由于混凝土的介电常数大于空气，电磁波在传输线上的传播速度随着空气中模型桩缺陷数量的增加而增加。这就可以解释为何空气中单缺陷模型桩的电磁波速率高于无缺陷桩，但低于具有双缺陷的模型桩。另外，根据不同材料介电常数的差异，可以对干砂、湿砂和空气中电磁波传递速率的大小关系进行合理解释。

3.4 缩径缺陷位置计算

根据桩底反射信号时间计算模型桩电磁波平均传递速率，再由缺陷反射时间与波速可计算求得缺陷位置。表2 给出了各模型桩主要缺陷位置的计算结果。对于单缺陷模型桩，缺陷深度计算值与实际值的偏差不超过10%。对于多缺陷桩，缺陷计算值与实际相差有所增大，这与电磁波通过多个缺陷时期传播速率增加幅度增大有关。总体来看，缺陷计算的精度是能够满足实际工程要求的。

4 结论

时域反射法可用于桩身完整性的检测，对缩颈缺陷位置和数量的判定准确性较高，在模型桩缺陷段和桩底位置能获得较清晰的反射信号。具体结论如下:

⑴在模型桩缺陷段和桩底位置能看到较清晰的反射信号。当缺陷位于桩顶位置附近时，电磁波反射信号发生叠加，缺陷判别较困难；位于桩身中部时，缺陷位置对应信号反射特征最为清晰；位于下部时缺陷因透射电磁波能量减弱，其振幅有较明显的削弱。

⑵桩周介质变化对于时域电磁波反射曲线影响较小，仅在周围很小半径范围（半径小于钢筋保护层厚度）内有所影响；桩周不同介质条件下电磁波传播速度基本一致；桩周介质为土体时阻抗较空气小，导致反射波振幅有一定降低。

表1 模型桩中电磁波传播时间与速率Tab.1 Propagation Time and Velocity of Electromagnetic Waves in Model Piles

表2 模型桩缺陷位置计算结果汇总Tab.2 Summary of Calculation Results of Defect Location of Model Piles

⑶时域电磁波的实测波形和理论波形存在一定差异，这可能是因为电磁波传递过程中发生的衰减、频散、介质不连续等；时域反射法对桩缩颈缺陷位置的检测值和实际值的存在一定偏差，这是由于不同介质的介电常数不同导致了电磁波的波速变化，但误差均在实际工程要求的精度范围内。