浅谈低应变反射波法结合声波透射法或钻芯法在基桩检测的综合运用分析

李强

摘 要：低应变反射波法检测基桩完整性具有便捷、快速，并且成本较低等特点，在桥梁桩基无损检测中占有一定比例。本文将介绍低应变反射波法的原理和通过三个工程实例讲解低应变反射波法结合声波透射法或者钻芯法进行综合应用分析，为工程检测人员提供参考依据。

关键词：桥梁工程;基桩检测;低应变反射波法

中图分类号：U443.154 文献标识码：B

0 引言

在桥梁工程施工中，桩基础是十分重要的地下隐蔽工程，桩基础施工工艺复杂，如果施工质量控制不当，则容易发生离析、夹泥、缩径、断桩等质量问题，进而影响桥梁结构整体施工质量和安全性，因此加强桩基检测至关重要。在《广东省公路工程基桩检测工作实施意见》中，无损检测的频率为100%，低应变反射波法为无损检测技术之一，其检测频率除特殊桥墩外，占到了50%。低应变反射波法检测具有便捷、快速，并且成本较低等特点。但是低应变反射波法的局限性也是较明显的，低应变无法检测出基桩的多个缺陷，无桩底反射或者变截面桩无法检测等，这些问题都无法单一的靠低应变法就能评定出桩的完整性，须结合其他方法进行检测，综合评定才行。本文将结合自己的工作经验和工程实例探讨低应变法结合声波透射法或钻芯法在基桩检测的综合分析。

1 声波透射法检测技术的基本原理

由于重点是讲低应变反射波法结合声波透射法或钻芯法检测桩基就行综合分析，这里只是简单的介绍一下声波透射法和钻芯法的基本原理，将重点介绍低应变反射波的原理。声波透射法检测技术的基本原理：在混凝土内，由超声脉冲发射源激发高频弹性脉冲，该脉冲波在砼内传播过程中会有不同的波动特征，此波动特征由高精度的接收系统记录。通过记录超声波不同高度、不同侧面的波动特征，并经过处理分析就能判断出检测区内砼内部缺陷的大小、性质和空间位置，并对砼总体做出评价。检测区内砼的密实度参数可根据超声波的初始到达时间和波的频率变化、能量衰减特征以及波形畸变程度等特性获取。当砼内存在破损或者不连续界面时，超声波到达缺陷面形成的波阻抗界面时，会产生波的反射和透射;当砼内存在孔洞、蜂窝、松散等严重缺陷时，将产生波的绕射和散射。声能被衰减，穿透的声波信号的声时将会延长、波速和振幅因为衰减而降低、超声波频率特别是主频率也因声能衰减发生频漂等一系列变化。超声波透射法就是根据各项声学参数特征值在混凝土中传播的变化，判定桩身混凝土的完整性并能较准确地测定缺陷的位置和大小，以及初步判定缺陷的性质，为判定桩基混凝土质量等级提供理论支持[1]。检测示意图见图1。

2 钻芯法原理

钻芯法原理：钻芯检测法属于局部破损检测法，钻芯法是直接从桩身钻取混凝土芯样和钻取一定深度的桩底岩土层芯样进行状态和强度检验的半破损现场检测方法。通过该方法能够判断桩身的完整性、混凝土强度、桩基长度、桩底沉渣以及持力层的性状能否达到设计。钻芯法检测桩基工程时，是通过对不同部位取样进行整体分析评定的，容易出现漏判情况，该缺点也正是“以点代面”导致检测中出现“盲区”同时该检测会放大一些缺陷问题比如持力层的软夹层问题或溶洞问题等，并且检测细长桩时难以钻穿桩身从而难以判断桩基的质量问题[2]。但是跟其他检测方法相比，可靠性和准确性相对较高，其检测内容的特殊性也是其他方法不可替代的。

3 低應变反射波法原理

反射波法是建立在一维波动理论基础上，将桩假设为一维弹性连续杆，在桩身顶部进行竖向激振产生弹性波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，波阻抗将发生变化，产生反射波，通过安装在桩顶的传感器接收反射信号，对接收的反射信号进行放大、滤波和数据处理，可以识别来自桩身不同部位的反射信息。利用波在桩体内传播时纵波波速、桩长与反射时间之间的对应关系，通过对反射信息的分析计算，判断桩身混凝土的完整性及根据平均波速校核桩的实际长度，判定桩身缺陷程度及位置。在反射波法分析中我们还要了解到波阻抗。波阻抗是桩身横截面积、材料密度和弹性模量的函数。公式为，式中为桩的波阻抗（单位）;为桩的弹性波速（单位）;为桩的弹性模量（单位）;为桩的质量密度（单位）;为桩的声特性阻抗或声阻抗率（单位）;为桩身截面积（单位）。

应力波在桩中的传播，当在桩施加瞬压脉冲激励时，将使桩身产生压缩应力波并使桩中质点产生运动规定质点向下运动速度为正号、向上运动速度为负号，桩身受压力为正号，受拉力为负号，当应力波传到阻抗变化界面（）处时，将产生反射波和入射波，用脚标、、分别代表入射波、反射波、透射波，和分别为界面处质点振动速度和截面应力。根据界面处力平衡、速度连续条件和牛顿第三定律可得：;。根据动能守恒条件最终可得到下式：;;。

和分别称为反射系数和透射系数，完全由两种介质的波阻抗的比值决定，主要取决于材料的质量密度、 波速和截面积。由于这些参数的突变会引起波阻抗急剧变化，导致能量转化而产生波的反射。因为和总是正值，所以透射系数也总为正值，即透射波和入射波相位总是相同的，反射系数的正负与的大小有关，结合桩的缺陷情况讨论如下：（1）波阻抗近似不变：桩的质量和完整性都无变化，其示意图如图2（a）所示。此时， ，则，即几乎无反射波，全部应力波几乎都透射过界面传至下段。（2）波阻抗减小：桩身缩径、离析、断裂、夹泥、疏松、裂缝、裂纹等，其示意图如图2（b）所示，下段的波阻抗变小，此时，，则，反射波和入射波同相。（3）波阻抗增大：桩身扩径，下段的波阻抗变大，其示意图如图2（c）所示。此时，，则， 反射波与入射波反相。从上面分析也看出，低应变反射波法存在的不足之处即当桩身截面积是缓变型时或桩轴线倾斜、弯曲时均不产生反射波，桩底的波阻抗和桩端岩层的波阻抗相近时，就无法判定桩身质量。由于反射信号的到达时间与产生反射位置有关。因此，在一定条件下可求得波运行的平均波速和桩长，根据公式：可得：（1）假设已知确切的桩长如果桩底反射波明显，则可由反射波到达时间计算平均波速：，在一定条件下，平均波速代表着桩身混凝土质量的好坏。（2）如果已知桩混凝土波速，则可求得桩长：。由于桩的混凝土波速受到许多因素的影响，因此现场每根桩的平均波速都不同。（3）知道波速和缺陷波反射的时间差，则桩身的缺陷位置为[3]。下表1是一维纵波波速与混凝土强度之间的关系表[4]。

4 相关工程实例的分析

4.1 工程实例一

上面讲了三个基桩检测原理，具体分析了低应变反射波法，阐述了遇到不同波阻抗反射波与入射波的方向变化。接下来，我将用三个工程案例来具体分析。广东佛山某人行天桥工程桩基，工程概况为将原有的人行天桥拆掉新建一座人行天桥，业主想利用旧的基桩，但是又不知道旧桥的基桩完整性怎么样。地质情况自上而下为：素填土已揭层厚0.5～5.6 m;砾质黏性土已揭层厚约0.8～6 m;细砂夹淤泥土揭露层厚0.6～4.2 m;强风化灰岩揭露层厚1.2～7.1 m;两根桩的桩号为4#、2#，直径为1.0 m，龄期已超过28 天，桩基类型为摩擦桩，桩长和桩身强度未知。依据规范要求，现场采集的信号不少于2个点。经低应变反射波法检测，见图3。4#桩的桩基类型为摩擦桩，反射波和入射波方向为同向，可以看出桩底信号还是比较明显的，桩身没有明显的缺陷信号。2#桩也差不多，桩底信号明显，桩身没有明显的缺陷信号。现在的问题是不知道桩长和桩身强度，没办法定桩长和波速。缺少基本數据，单靠低应变是没办法检测基桩完整性的。建议业主采用钻芯法进行综合判定。图4为4#桩的芯样，图5为2#桩的芯样。4#桩芯样为：芯样连续、完整、表面光滑、胶结较好，骨料分布均匀，芯样呈长柱状、断口吻合。所取芯样试件抗压强度代表值为35.8 MPa，桩端砼与持力层接触一般，桩底未见沉渣，岩性为细砂夹淤泥，灰色，夹少量粘粒和淤泥质;钻芯检测出的实际桩长为 11.03 m。2#桩芯样为芯样连续、完整、表面光滑、胶结较好，骨料分布基本均匀，芯样呈长柱状、断口基本吻合。所取芯样试件抗压强度代表值为28.1 MPa，桩端砼与持力层接触一般，桩底未见沉渣，岩性为细砂夹淤泥，灰色，夹少量粘粒和淤泥质;钻芯检测出的实际桩长为13.04 m。通过钻芯我们知道桩身没什么大缺陷，验证了桩底的持力层和反射波法的桩底反射是比较相吻合的。桩长已知，则4#桩的波速为3 900 m/s，2#桩的波速为3 500 m/s，这个波速和钻芯法的芯样强度还是吻合的。因此，综合低应变反射波法和钻芯法两个检测，可以判定4#和2#桩都是I类桩。

4.2 工程实例二

广东广州增城某桥梁，工程概况为一座中小桥，地质情况：原地面到标高38.526 m为粉质粘土，标高38.526 m到标高31.506 m为砾质黏性土，标高31.026 m到标高20.526 m为全风化花岗岩，标高20.526 m到标高13.526 m中风化花岗岩。该桩的桩号为Z1-1，桩施工长度为24.2 m，其设计强度为C30，直径为1.2 m，龄期已超过28天，桩基类型为嵌岩桩。依据规范要求，采集不少于3个信号。见图6，该桩有明显的同向反射信号。波速为4 300 m/s，桩身没有明显的缺陷信号。由于这根桩的桩基类型是嵌岩桩，桩底处出现同向信号，可能是未嵌岩或者是沉渣过大。然后现场询问，得知施工工艺是旋挖钻施工。初步判断同向反射信号是桩底沉渣。由于低应变测不出沉渣的厚度，需要钻芯法验证，对这根桩就行钻芯。见图7，该桩桩身砼芯样呈青灰色、连续、完整、胶结较好，表面较光滑、骨料分布均匀，芯样呈长柱状、断口吻合。桩身无明显缺陷和低应变检测还是吻合的。所取芯样试件抗压强度代表值为45.6 MPa，也符合低应变波速4 300 m/s。也满足混凝土设计强度等级要求（C30）。桩底沉渣平均厚度为137.5 mm，不满足设计要求（≤50 mm）。桩持力层岩性为中风化片麻状花岗岩，灰色，带红色色韵，岩芯呈短柱状，局部块状，其工程地质性质与设计相符。从这个过程例子可以分析出，沉渣的强度远小于混凝土的强度，所以反射波和入射波方向相同。但是低应变不能定量的分析出沉渣的厚度，只能大概知道是个缺陷，连缺陷类型都很难判断，要结合设计桩型、成桩工艺、地质条件、施工情况等综合分析[5]。所以想要进一步分析缺陷的类型和大小，就需要结合其他方法综合判定。

4.3 工程实例三

这个工程实例是低应变反射波法和声波透射法的综合运用分析。广东某高速工程桩基，工程概况为一座匝道桥，地质情况是原地面到标高36.35 m为粉质粘土，标高36.35 m到标高25.56 m为砾质黏性土，标高25.56 m到标高19.81 m为全风化花岗岩，该桩的桩号为14#-Z1，桩施工长度为23.7 m，其设计强度为C30，设计直径为1.4 m，基桩类别为摩擦桩。依据规范要求，采集3个以上信号。见图8，该桩桩底信号明显，以第二个同向的信号为桩底，该桩的波速为3 800 m/s。桩身约15.6 m有个与入射波同向的反射波，根据波阻抗判断，该部位可能存在离析松散的状况。但是波峰不是特别大，说明缺陷不是特别大。为全面的分析缺陷，对该桩进行声波透射法检测，检测结果也比较相吻合。见图9，声波透射法检测结果：在1-2剖面和2-3剖面约17.0～17.5 m声速和波幅轻微偏低，存在着离析松散的现象。从这个工程例子可以看出，两种方法检测出的缺陷位置有些差异。这是由于两种方法波的类型、固体介质和边界条件不一样导致的。综合分析的话，一般以声波透射法的缺陷位置比较准确些。

5 结语

通过上面三个工程项目的讨论分析，用低应变反射波法分析桩身完整性时，虽然有便捷、快速等特点，但是低应变反射波法的缺陷也是比较明显的，稍不注意就容易出现误判。在现场检测中应该多积累经验，有时单靠一种方法是没有办法进行基桩完整性判定，需要结合声波透射法或者钻芯法进行综合分析，才能准确的分析出桩的完整性类别。在实际操作中有时遇到委托方不是很理解，明明委托的是低应变反射波法检测，为什么还要做声测或者钻芯。这就需要我们检测人员耐心的跟委托方解释，低应变法固有的局限性，同时也尽量用成本小的声波透射法进行综合分析。

参考文献：

[1]赵雪.浅谈应用声波透射法进行灌注桩检测[J].山西交通科技，2006（5）：53-55.

[2]林世聪.单桩低应变法与钻芯法检测结果比较分析[J].技术研发，2012（10）：80-81.

[3]公路工程基桩动测技术规程：JTG/T 3512-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[4]杨永波.地基基础工程检测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[5]建筑地基基础检测规范：DBJ/T-15-60-2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.