低应变反射波法在水利工程桩基检测中的应用

刘黔

（惠州市大禹工程质量检测中心有限公司，广东 惠州 516000）

0 引言

桩基是将桩角设置在岩层上，通过桩基将建筑物压力传输到岩层上面，所以桩基稳定性和上层建筑物稳定性有直接联系。根据施工环境不同，可将桩基分成现场灌注桩基和提前制作桩基，其中，提前制作桩基是提前将桩基制作好，采用机械设备将桩基插入到地层下部，此方法能节约大量施工材料，但施工时间较长，对工作人员施工技术要求高；灌注桩是在地面上根据桩基孔径大小和深度钻取对应的桩基孔，安装钢筋笼后灌注适量混凝土，保证其能完全成型，此方法应用范围较广，但需要使用大量材料，施工成本高。在日常施工过程中，施工人员要根据水利工程实际情况，选择合理的桩基类型，而低应变发射波法是将整个桩基作为基础，用专业工具击打桩顶，导致桩顶周围出现不同程度的振动，向桩底、桩身传递振动信号，形成应力波。当信号传输到有缺陷的桩基时，入射应力波出现异常反射现象，诱发周围其他环节出现振动，被传感装置自动接收，形成反射波，工作人员根据反射波波形准确判断桩基实际情况[1]。

1 概述

低应变动力试桩法作为最典型的桩基检测方法，通常应用在桩身完整性检测。根据激振方式不同，主要分为水电效应法、反射波法、机械阻抗法、共振法等，其中，反射波法应用范围最广[2]，其具有结果准确度高、设备简单、成本低等特征，被广泛应用到检测桩基质量方面。利用反射波法试验判断不同方法的桩位，如高应变法、钻芯法、静载试验法等，能提高静载试验检测结果的准确性，解决静载试验抽样率较低的问题，拓展检测面积，给桩基处理方案提供丰富的数据资源，受到各行业的高度重视。而低应变反射波法是以一维线弹性杆件模型为基础，由于受到检桩瞬态、长细比等因素影响，高频分量波长和桩横向尺寸比例要超过标准要求，设计桩身截面要满足实际要求。标准理论下，若应力波在桩身传播时平截面假设成立，则判定低应变反射波法不适合应用到H 型钢柱检测方面[3]。

2 现场实测技术要点

2.1 桩头处理技术

对于桩基现场实测工作来说，首先要注意的是检测前后对桩头的处理，包括浮浆层的清理、表面裸露混凝土的处理及检测点位置的平整清理等工作，只有确保桩头干净、不出现破损、不留杂物、干爽，才能保证检测结果的准确性。若不考虑传感器种类、传感器安装过程、测试信号强弱及桩基反向脉冲的影响，在浅层部位得到的检测结果受环境的影响是很大的。对于桩基来说，上层建筑的竖向压力主要靠桩身来支撑，桩尖部位承受的压力相对较小，具有更广泛的适应性。

2.2 传感器安装技术

从理论角度来看，传感器越靠近桩面位置，其操作越便捷，所以尽可能地保证触桩部位的刚性，以达到更好的传递效果，获得与桩身实际情况更为接近的振动形态。实心桩测试时需在桩身半径2/3 至3/4 处布置传感器；空心桩测试时需将传感器布置在锤击点平面，一般布置在2 倍桩身壁厚的位置。安装传感器需要用耦合剂贴在桩面上，保证垂直角度，安好后，用手指轻弹感应器侧面观察，若无丝毫移动，则表示安装完好，若耦合不到位，则会造成侦测讯号出现明显振荡等不良现象。目前，低应变反射波法检测桩基侧重桩基加速度、速度等参数，针对速度的测试方法更适用于高检测，低检测往往受幅频特性的限制，检测到的结果不能明显反应浅层桩基缺陷。其中，加速度检测方法对于频响信号的依赖程度较小，能明显体现出桩基内部检修效果[4]。

2.3 激振点选择和激振方法技术

在现场收集检测信号时，其信号强度决定着采集信号质量。但值得注意的是，工作人员在检测实心桩时，要将激振点设置在桩中心位置；检测空心桩时，要求将锤击位置移动到传感器安装位置水平面上。如果遇到大型桩基检测，要利用力棒和大铁球制造激振，利用大范围脉冲、低衰减值、频率值来提高桩基深度缺陷检测和桩基底部检测效果，避免由于缺陷较小且浅而产生严重误测现象。针对信号探测较浅的缺陷，工作人员要利用小钉锤激振和钢筋激振进行操作，其具有操作频率高、能量小等特征，能在脉冲空间较小的位置进行检测[5]。

3 工程应用

3.1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程土建及机电安装D1 标主要包括深圳分干线罗田泵站、深圳分干线试验段项目的SZ03 号工作井改造项目、东莞分干线及相应标段的金结与机电安装工程等。罗田泵站位于罗田水库东南侧，位于罗田水库三面环山的一块坳地，现有地面高程22～25 m，地势起伏不大，周围山体高程60～70 m，站内安装4 台立式抽芯式混流泵，总装机容量为20 000 kW，单机设计抽水流量为10 m3/s，主要建筑物级别为2 级。深圳分干线试验段项目的SZ03 号（SY01 号）工作井位于深圳分干线末端、公明水库坝下约200.00 m处，SZ03 号工作井原为临时井，此次改造为永久工作井，用于深圳分干线运营期管理使用。东莞分干线从罗田水库取水后，经罗田水库进水闸，穿越低矮丘陵后在迈科路、美景西路下布置至松木山水库进库闸后进入松木山水库。东莞分干线长3.6 km，设计过流量为15 m3/s，采用重力自流的有压输水方式。输水管道结构形式为钻爆法隧洞、顶管和箱涵，其中，钻爆法隧洞长1.4 km，隧洞内径为3.00 m，设计过流流速约2.3 m/s；单线顶管长2.0 km，为DN3000JCCP 管，设计过流流速约2.3 m/s；箱涵长0.2 km。

珠江三角洲水资源配置工程土建及机电安装D1标罗田泵站建筑物、东莞分干线主要建筑物、顶管区间工作井支护桩、桥梁均为桩基础，桩基均为灌注桩，除临时2号井灌注桩桩径为1.00 m外，其余桩径均为0.80 m，设计单桩承载力为2 000～4 000 kN，水平承载力为550～1 100 kN，抗拔承载力为1 500 kN，桩长5.00～22.00 m。此次采用SH-LST 基桩低应变检测仪检测水利工程基桩，其能够自动识别锤击信号，在采集桩基数据方面具有速率高、功耗低等特征，数据全部收集完毕后，能直接呈现在触摸显示屏上面，便于数据分析和处理。

3.2 质量检测

工作人员在处理桩头浮浆，将破坏区域进行磨平处理后，对桩基成孔质量进行了检测，数据见表1。

表1 桩基成孔质量情况

由表1 可知，桩基孔深变化幅度为22.00～24.63 m，垂直度上涨幅度为0.01%～0.06%，桩基垂直度误差性较低，沉渣厚度为75.89～101.05 mm。可见，沉渣厚度和桩基孔深有直接联系，桩基孔深和沉渣厚度成反比，而垂直度和桩基孔深、沉渣厚度没有明显关联。工作人员可利用低应变反射波法检验桩基整体质量。

未经过处理桩基，其整体质量波形的波动范围集中在桩基深度0～15.00 m 和25.00～35.00 m。当桩基深度在0～15.00 m时，波速波动范围在-0.20～0.40 m/s，主要原因是由于桩底围岩是泥质砂岩，其波阻抗和混凝土基本相同，且桩底反射情况较弱，严重影响到波形整体性；在桩基深度为25.00～35.00 m 时，波速波动范围为-0.15～0.15 m/s，主要原因是该范围中沙土地层易受到含水层影响，无形中降低了桩身混凝土强度，造成出现相对离析现象，影响到波形的规范性[6]。

在经过桩基处理后，只在桩基深度0～5.00 m时，波速波动范围为-0.20～0.40 m/s，其他深度位置的波形较为稳定，合理控制波速数值，保证桩基检测效果能达到预期要求。

3.3 应用结果分析

根据上述实际情况，工作人员随机选择8 个桩基，桩径均为1.20 m，桩基桩长为7.50 m，计算其原始桩位坐标，结合基于低应变反射波法的水利工程桩基检测技术，检测出桩位坐标，且将这些坐标进行对比，结果见表2。由表2 可以看出，设计检测技术检测出的桩位坐标和原始桩位坐标差异为0.01 μm。其中，3 和7 号桩和原始桩位坐标完全吻合，所以利用基于低应变反射波法的水利工程桩基检测技术的检测误差值较小，能满足实际要求[7]。

表2 桩位坐标对比结果

4 结语

综上所述，低应变反射波法是一种基桩质量无损检测方法，在实际检测工程中具有较强的优越性。但所得到的信息无法对缺陷进行准确定量分析，无形中增加缺陷判断工作的难度系数。因此，在实际检测过程中，如果遇到较为复杂的测试曲线，还要结合其他方法进行检测，综合分析检测结果，从而得到更全面的信息数据，准确判断桩身质量，制定对应解决措施，保证基桩工程施工质量能满足行业标准。