低应变反射波法桩身完整性检测的应用与分析

郝松硕，李大华，韩孟君，宋国文，李俊豪，彭程，

低应变反射波法桩身完整性检测的应用与分析

郝松硕1，李大华1，韩孟君2，宋国文1，李俊豪3，彭程4，

（1.安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601；2.安徽建工集团股份有限公司，合肥 230031；3.桂林理工大学 电气与电子工程系，广西 桂林 541004；4.合肥城市学院 土木工程学院，安徽 巢湖 238000）

低应变反射波法，是一种运用应力瞬间或稳定激振的方式在桩的顶部激振，实际测试桩基顶部的速度时程曲线或者速度的导纳曲线，经过波动理论的分析或者频域的分析，对于桩基全身的完整性来进行判定的检测方法。针对在桩身出现的破裂、涨缩、空洞等问题，进行此实验监测波速值和波动图来判断其完整性，实验利用低应变反射波法检测42根桩基，观测此方法的合理性与准确性，来保证工程的安全性。

低应变反射波法；预应力高强度混凝土管桩；波动理论；桩身完整性

近些年来，我国的建筑行业蓬勃发展，但在工程中有时候也会出现一些事故，这和工程实施前后的检测工作不够充分有很大的关系。我国的地域比较辽阔，地况也是非常复杂，所以在施工过程中，不是所有的土质都是适合直接施工建造的，特别是有些软土的区域就不适合直接施工。一些软土区域，含大量的淤泥、流沙，含水量也极高，土质较为松软，支撑性较弱，在这类土区域直接垂直开挖深基坑极易形成塌方等重大事故，对工程本身和周边的建筑将造成威胁和伤害，所以在这类基坑施工的时候，通常采用预应力高强度混凝土管桩支撑的方法，对基坑进行支护，保证其安全。在埋设预应力高强度混凝土管桩之后，随之而来的也会有许多问题，例如桩身出现破裂、涨缩、孔洞等一系列问题。但是随着施工的进行，所有的管桩都将被埋于地下，较为隐蔽，无法直接观测到其完整性，所以桩基全身的完整性检测是个急需解决的问题。

1 低应变反射波法

1.1 低应变反射波法的原理

低应变反射波法是以一维波动理论为基础的，依靠这个理论可以建立一个一维弹性波动方程。

式(1)中，就是应力波顺着桩基在竖直方向上传导的速度[1-2]。基于一维的波动理论，可列出以下一些数据，设为这个弹性杆件的长，为杆件的横截面积，为杆件的质量[1]密度，则代表杆件的弹性模量，杆件的轴线方向被称作是轴，则为施加的外力，就表示每一个截面上振动的偏移量，设应力传播的时间为自变量，杆件截面上的位移量视为因变量，要求出的为声波在杆件上的传播速度，以此来判定埋于地下的预应力高强度混凝土管桩是否完整。假使桩身本体和桩周围的土体全部都是各自方向上相同性质的弹性体，在这种低应变的检测条件下，桩身本体和其周围的土体界面不会分散，而且桩身和土体的界面处速度和应力都具有非常良好的连续性。所以基于已知的弹性理论[3-4]，用锤子或其他工具对桩头施加一个瞬态的激振力，则产生一弹性应力波会顺着桩身向下快速传播，传播的过程中如果遇到断桩、孔洞或者缩径扩径的情况时，就会产生波阻，这种波阻则立刻通过桩身反射回来到桩头，然后利用提前在桩头设置的接收器接受其反馈，再通过连接接收器的计算机显示反馈信号，呈现一系列数据和波状图，通过这些数据的变化和图形的波动来判断埋于地下预应力高强度混凝土管桩的完整性。

1.2 低应变反射波法的优点

在众多的检测方法中之所以选择了低应变反射波法，是因为它有着许多优点。特别是低应变反射波法对浅部的断桩、缩径等因桩身阻抗变化所引起的缺陷比较敏感，在测试技术上的优势非常巨大[5-7]。而且对桩基基本没有损伤，减少了经济损失，避免了材料的浪费，在环保绿色施工方面也有所贡献，此类方法对检测这一类的问题非常便捷准确。

2 低应变反射波法的具体实施步骤

2.1 准备工作

整体的测验之前，需要做一些必要的准备工作。首先要对现场整体的环境进行全面的检查，能保证所有的检测都处在一个安全且可控的环境下。然后要对桩基周围的土质进行检测，对桩身的长度和直径也都要有详细的了解。尤其对于重要的部位，要重点排查检测，如桩头、桩基等，如果这些重要部位的混凝土浇筑质量不够高，很容易在检测的过程中产生一些过激的信号，从而出现一些震荡的情况，进而会导致检测到的信号不是非常稳定，会出现相干波或者衍射等干扰实验结果的现象，在对桩基的具体位置的判断上就无法做到准确无误，所以出现误差的几率就大大增加[8-9]。

桩头、桩基的混凝土密度和质量必须得到保证。采用预应力高强度混凝土管桩，这种高强度的管桩完全符合检测条件，同时也能确保地基支护的安全。

对桩头进行清洁和打磨，以便于安装声波传感器，把声波传感器粘合在桩头上之后，再将信号接收器、计算机等显示波段的仪器连接到传感器上。一切观测、清洁、安装之后，便可以开始进行检测工作了。

2.2 土质波速检测

由于在不同的土质中，实际波速是各不相同的，所以实验对每个钻孔的不同土质波速进行实际测验，这里取孔两孔为例，如表1, 2。实测不同钻孔六种土质的剪切波速，可见最浅的杂填土最慢，最深的粉质黏土与粉土互层波速最快。

表1 1#钻孔剪切波速值一览表

表2 38#钻孔剪切波速值一览表

2.3 桩基设计参数

在使用低应变反射波法检测之前，需要根据不同的土质对桩基来进行参数设计，以便于最后的计算，如表3所示。

表3 桩基设计参数表

：极限端阻力标准值；Q：单桩第层土的极限侧阻力标准值；：表示桩长；抗拔系数按0.7取值。

2.4 检测操作

先将桩头周围松散的泥土和石块进行清除，直至露出比较密实紧致的土壤为止，这样可以有效提升数据的准确性，然后用锤子等工具快速地敲击桩头，对反馈回来的数据根据桩号进行录入，将计算机上生成的波状图也加以处理保存，获得实际的现场实验数据留作分析。

2.5 数据整理及结果分析

基桩是否完整有自己的规范与标准[10]，如表4所示。

表4 基桩低应变反射波法检测完整性分类判别标准

注：对相同的场地、土体条件也非常相似、桩基型号和成桩的工艺也一样的基桩，因为桩身两端的地方阻抗与持力层的阻抗能够互相匹配，导致实测信号没有桩底反射波的时候，就可以按照和本场地同条件下，有柱底部反射波的其他桩实测信号来判定桩身的完整性类别。其中桩长用来表达，受检测桩的桩身波速（m/s）用来表述，幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差用Δ’来表示。

2.6 桩基几种常见的问题

（1）桩锤的选用不合适，在锤击的时候造成桩身、桩头的破裂，增加了打桩破损率。

（2）锤垫或者桩垫不能太软，因为当其过软时，实测锤击的时候，桩基本身的冲量就会增大，锤击时的能量损失也会非常大，导致桩难以打至预先设计好的标高；然而也不能太硬，因为如果太硬，锤击的应力就会很大，桩头就非常容易被击碎，从而使桩基本身遭到破坏，影响到测试的结果[11]。

（3）在黏土层厚度太大的地方施工，一旦中途停歇的时间过长，土质就会硬化，造成剩下部分的桩身无法打入。

（4）每个桩之间的间隔比较小，各桩之间相互挤压会导致土体破裂，从而影响施工。

2.7 检测结果汇总

经过实验检测后按照桩号逐一统计基础数据，并计算波速，如表5。

实验用低应变法检测42根工程桩，经分析：皆为Ⅰ类桩，被测基桩桩身混凝土波速在4132m/s～4372m/s之间，桩身平均波速4251m/s，桩身完整性符合设计和规范要求。

每根桩在检测时，连接的计算机上都会生成波状图，现取9号基桩低应变反射波法检测曲线波状图进行展示，如图1所示。

运用低应变反射波法检测这些桩基，产生的波形图如图1，代表锤击桩头反馈回来的动量，通过动量逐渐趋于稳定的形式来判断桩身完整性。从图中可以看出，它的曲线较为平滑，在桩的底部也有相同方向的反射信号，所以完全可以判定桩基本身的完整性非常良好，满足工程的安全性要求。

表5 基桩低应变反射波法检测结果汇总表

图1 低应变桩身完整性检测附图（9号桩）

3 低应变反射波法的局限性分析

虽然低应变反射波法在检测桩身完整性时有这许多优势，但是它也有一些局限性。其在检测时对工作人员要求比较高，结果受人为影响比较大，严重的会出现判断错误的现象。目前，低应变反射波法还只能对缺陷性质做出判定，依据反射波形判断位置，但是无法准确的判定具体的数值[12]，而且低应变反射波法时基于一维弹性杆件的理论，但是这种理论只是一种理想化的假设，并不能实际做到，所以在检测时还是会存在一些误差。波阻的传送也受桩周围土质的影响，如果土质环境不好，对应力波传送过程中的损耗也是比较严重的，从而也会影响检测结果。

4 结论

（1）在进行桩基完整性检测之前，各种土质的检测非常必要。

（2）在基坑为软土的工程中，使用这种预应力高强度混凝土管桩埋设，可以明显加强地基承载力，保证施工的安全。

（3）通过实验等数据也可以看出，本此实验埋设的所有桩都具有完整性，符合设计和规范的要求。

（4）运用低应变反射波法检测法去检测桩身的完整性是一种高效率的、经济的、环保的检测方法，非常值得深入发展使用。

[1] 陈国海. 低应变法和声波透射法在基桩检测中的应用分析[J]. 房地产世界，2021(9): 130-133.

[2] 姜静，卢志堂，高子杰. 高桩低应变测试的交错网格有限差分法响应分析[J]. 安徽建筑大学学报，2021, 29(1): 39-42.

[3] 段文旭. 低应变法和声波透射法在桩基检测中的综合应用研究[D]. 成都：成都理工大学，2014.

[4] 贾同福，叶腾飞，周龙茂. 低应变检测在桩基检测中的应用分析[J]. 建筑技术开发，2021, 48(1): 147-148.

[5] 张颖博. 低应变法和声波透射法在软土地区内支撑结构下灌注桩桩身完整性检测中的综合应用研究[J]. 广东建材，2021(6): 32-33.

[6] 孔啸. 低应变检测技术在桥梁桩基检测中的应用[J]. 科技风，2021, 16(54): 117-118.

[7] 江幸莲. 基于小波分析的桩基低应变检测数值模拟及方法研究[D]. 广州：华南理工大学，2013.

[8] 王彬. 低应变扭剪波法既有结构桩基无损检测技术研究[D]. 成都：西华大学，2017.

[9] 熊文峰. 复杂岩溶地段桩基低应变完整性检测及质量评价研究[D]. 南昌：华东交通大学，2016.

[10] 中华人民共和国建设部.建筑基桩检测技术规范：GB JGJ106-2003[s]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[11] 褚思文. 低应变反射波法的桩基完整性检测技术与应用研究[D]. 合肥：安徽建筑大学，2016.

[12] 高伟. 低应变反射波桩基检测理论研究与应用[D]. 北京：北京建筑大学，2016.

Application and analysis of low strain reflected wave method for pile integrity detection

HAO Song-shuo1，LI Da-hua1，HAN meng-jun2，SONG Guo-wen1，LI Jun-hao3，PENG Cheng4

(1.School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2.Anhui Construction Engineering Group Co., LTD., Hefei 230031, China; 3.Department of Electrical and Electronic Engineering, Guilin University of Technology, Guangxi Guilin 541004, China; 4.School of Civil Engineering, Hefei City University, Anhui Chaohu 238000, China)

The low strain reflected wave method is a detection method that uses the method of instantaneous or stable stress excitation to excite the vibration on the top of the pile, actually tests the velocity time history curve or velocity admittance curve on the top of the pile foundation, and judges the integrity of the whole pile foundation through the analysis of wave theory or frequency domain. Aiming at the problems of fracture, shrinkage and cavity in the pile body, this experiment is carried out to monitor the wave velocity value and wave diagram to judge its integrity, The low strain reflected wave method is used to detect 42 pile foundations, and the rationality and accuracy of this method are observed to ensure the safety of the project.

low strain method；prestressed high strength concrete pipe pile；wave theory；pile integrity

2021-11-04

安徽建工集团股份有限公司校企合作基金资助项目“阜南中医院建设项目施工质量控制技术”（HYB20210150）

郝松硕（1997-），男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事工程的现代化施工研究，1274422320@qq.com。

TU473.16

A

1007-984X(2022)04-0043-05