基桩完整性检测中反射波法的应用

陈荣杰

（广东科致检测技术服务有限公司，广东 广州 510700）

0 引言

软土基桩是指在压缩性较高、抗剪强度较差的区域构建的基桩。该类基桩负荷增加时较易发生变形，承载力相对较低，具有较高变形率和沉降量。基桩是工程的重要基础结构，其建设质量直接影响工程建设和使用安全性。反射波法是当前基桩完整性检测常用方法之一，属于无创检测，适用范围较广。为保证准确检测，应科学使用该技术。

1 基桩检测中反射波检测的应用优点

反射波检测是应用成本和操作难度较低的检测方法，检测设备要求较低，可用于桩身质量普查，应用反馈较好，是建设方和施工方常用检测方法。图1 为建设工程反射波检测。一维应力波理论是小应变的应用基础，在基桩顶部设置传感器，利用小锤向桩顶施压，施压作用下基桩产生应力波，分析应力波情况可了解桩土体系响应情况，在此基础上反向推演，检测速度信号，可初步评估基桩完整性[1]。应用此种方法时，将速度和力视为时间、深度函数，利用平截面假设作为研究基础实施检测评估。在锤击施力时，桩顶受锤击部位为点振源，围绕点振源形成应力波，此种应力波近似半球面，具有横波、纵波、表面波，向周围传播。在应力波传播时，向下传播的波阵面近似平面，因此可作为评估依据[2]。

图1 建设工程反射波检测

2 应用反射波法检测基桩完整性的技术要点

2.1 技术分析

此种检测的理论基础是一维波动理论，采用数学方法构建模拟桩，分析一维应力传播方法，并且在此基础上分析反射、投射、波的叠加等数据，观察波形，检出波形异常，即评估基桩完整性。基桩质检中，受检基桩即一维弹性直杆，在检测时假设基桩材质均匀，即正常情况下应为均为信号传播界面，受力时截面处于平面状态。对桩内外阻力、表层摩擦力忽略不计，忽略桩周土支撑、约束影响，桩底弹簧替代上述影响。桩顶承受冲击力时，形成一弹性脉冲波，以桩身为介质向下传播，基于牛顿第二定律、力平衡理论，可得出一维波动方程。

2.2 检测前准备

反射波检测中，首先应做好检测准备。检测前准备阶段，应全面了解基桩所在区域地质资料，并收集基桩施工记录资料、桩位平面图。

2.3 安装设备及合理选择激振方式

（1）传感器设置。应选择灵敏度较高的加速度传感器设备，根据要求规范安装传感器，并且连接基桩动测仪。基桩反射波检测设备如图2 所示。

图2 基桩反射波检测设备

（2）合理选择激振方式。检测过程中，应分析实际检测条件，选择合适的激振方式，采用合适的能量强度，以期保证测试质量。反射波法的激振器主要是手锤和力棒，锤击力垂直于桩面，锤击点尽可能在桩的轴心上，锤击为瞬态单击，不可连击。对小桩、短桩或浅部有缺陷的桩，选用铁锤，锤重可小些，以提高激发频率，提高检测分辨率。对大桩、长桩，选用尼龙锤或尼龙棒，锤可重些，以加大冲击能量，并在敲击处垫一层胶皮或其他软垫，以加宽激发脉冲，减小弹性波在桩身中的衰减。传感器安装方面，应选择软连接方法，位置与桩心间距2/3 半径，并且远离钢筋笼、锤击点。清除浮渣后，采用手动砂轮磨平方法处理传感器安装点。桩身完整性检测中，应尽量减少桩周土阻力影响，使反射波仅反映阻抗Z 的变化，采用小能量激振，以期减少土阻力激发，随桩长增加、侧阻力大的桩，激振能量要求适当提高，从而有效检测出深部桩身缺陷以及桩底反射。

（3）合理设置桩激发条件。预制（管桩）桩检测中，桩头截除后，传感器用耦合剂连接，桩长＜10m 时，选用5 磅铁手锤（加双层毛巾或胶皮垫），桩长10～20m 时，选用尼龙锤（加双层毛巾），桩长＞20m 时，选用尼龙棒（加单层毛巾）。

人工挖孔桩检测时，清除桩头浮浆，传感器位置磨平并用耦合剂连接，桩径＜800mm 时传感器设置3 点，桩径＜1.2m 时传感器设置4 点。

水下灌注钻孔桩检测中，破除桩头保护层（＞500mm），传感器位置磨平并用耦合剂连接，桩长＜10m 时，选用5 磅铁手锤（加胶皮垫），桩长10～20m 时，选用尼龙锤，桩长＞20m 时，选用尼龙棒。

沉管桩检测中，破除桩头保护层，传感器位置磨平并用耦合剂连接，桩长＜10m 时，选用5 磅铁手锤（加胶皮垫），桩长10～20m 时，选用尼龙锤，桩长＞20m 时，选用尼龙棒。

（4）合理选择检测时间。桩基检测过程中，混凝土强度大小对测试信号影响很大，经过多年实践认为桩身强度＞7d（温度在5～25℃），并且当现场观察桩头颜色为青灰色，才能获取清晰满意波形。

2.4 检测结果分析

在分析检测结果时，应基于理论知识，同时结合经验进行综合分析。在分析环节，应重点考虑以下方面。

（1）施工中部分基桩浅部可见显著大头，此种波传播异常，或者界面区域产生异常强波反射，在此种作用下透射能力逐渐降低，局部面波反射，导致波形曲线与基桩下方实际情况不一致。此种情况下，应砸挖处理大头部分，然后重新检测。

（2）应重点关注扩径桩基偶数次反射、入射波同相位和奇数次反射、入射波反相位，分析其特点差异，避免误判。在此类分析中较易将径偶数次反射误判为桩基缺陷。

（3）护筒对桩基产生缩径作用，此种缩径和真实缩径较易误判，但是本质上存在显著区别。应注意区分扩径后恢复正常桩径产生的缩径问题。此外，入岩区域嵌岩桩常见塌孔，此种情况较易误判为反相桩底，进而错误评估桩长。同等条件下，混凝土强度越高，应力波传播速度越快，但是二者并非简单的函数关系，而是具有复杂的相关性。在实际检测中，桩基所用骨料、外加剂、混凝土含水量、钢筋含量、建设时施工工艺、后期桩基养护等因素均可能影响反射波检测[2]。

（4）桩周土阻力对波形的影响，基桩周围的土体，受桩土相互作用的影响，应力波在土体中向下传播的过程中不断衰减，其衰减程度与桩周土土体性质有关，具体表现如下：①导致应力波迅速衰减，使有效测试深度减少。②影响缺陷反射幅值，造成利用幅值进行缺陷定量分析时误差加大。③在软硬土层交界面附近产生反射土阻力波，干扰桩身反射信号，容易产生类似缩颈或其他形式的波形振荡等假缺陷反射波，与缺陷的反射混淆。④在没有泥浆护壁或干作用的施工工艺时，在孤石较多的场地成桩的灌注桩，由于浇灌的混泥土极其容易与土体中的孤石结合成一体，类似于嵌岩桩的桩端入岩，这样当应力波达到岩面时就产生一个于锤击脉冲相反的反射信号，同时会影响到桩底真正的反射信号，存在孤石地质时反射波法实测曲线如图3 所示。

图3 存在孤石地质时反射波法实测曲线

以上为某工程基础灌注桩，桩端设计持力层为微风化花岗岩。有效桩长21～28m，设计桩端持力层为微风化。进行反射波法检测时桩面标高约为25m，测得桩身约10m 附近（高程约15m）存在反向反射波，查询该项目地质勘察超前钻报告得知，该项目地质普遍在高程16～21m 存在孤石（微风化花岗岩）。桩侧孤石在反射波法检测中呈现出反向反射信号的现象，本次检测中普遍存在，并在后续钻芯法验证时，测得以上各桩桩身完整，持力层性状均满足设计要求。

3 反射波检测应用方法

3.1 反射波波速检测

计算反射波信号传播速度时，桩基材料一维反射波纵波波速描述为c，测点下桩长描述为L，桩底反射波峰值减去入射波峰值产生时刻差，描述为Δt，幅值谱中完整桩相邻峰值频率差描述为Δf，则波速关系式如下[3]：

或者：

完整基桩检测数量≥5 根，取其波速平均值，即为受检桩身材料波速平均值。

3.2 分级评价桩基完整性

桩基完整性分为4 个等级，分别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类，完整性分级越高，显示完整性越差，即缺陷越严重[4]。

（1）Ⅰ类桩。Ⅰ类桩要求桩身结构无残缺或者异常，可见合理桩底反射。观察实测波速，未超过合理范围。桩底反射波抵达前未见同相反射波。

（2）Ⅱ类桩。Ⅱ类桩要求桩身结构无显著缺损，基本完整，通常为轻微缺陷。可见桩底反射表现基本合理，观察实测波速，基本处于合理范围，可见较低缺陷反射波幅值。

（3）Ⅲ类桩。Ⅲ类桩与Ⅱ类桩相比完整性相对较差，但未达到Ⅳ类缺陷程度通常可见显著缺陷，需要配合使用钻芯法检测、声波透射法检测等方法，进行进一步检测，根据检测结果采取处理措施。在Ⅲ类桩检测中，可见同相反射信号数个，产生复杂波列。桩底反射信号不合理。根据反射信号、桩长信息计算波速，可见波速与同类完整桩平均波速存在显著差异，或者可见时域信号区域强异常同相反射信号。嵌岩端承型桩可见显著桩底反射，然而反射波与入射波相位一致。

（4）Ⅳ类桩。Ⅳ类桩分级标准是桩身结构可见严重缺陷，结果完整性严重不足，失去桩基功能，应清除问题桩基重新构建完整桩基。该类桩基中无桩底反射，可见多次具有强幅值同相、等间距特点的反射信号，部分情况下信号幅值显著增强，表现为大低频形式。振源脉冲宽度极窄情况下，可见合并连续低强度同相反射，此时频域为双峰。此种桩基是典型浅部断桩。

3.3 评估桩身缺陷位置

场区相同条件桩的平均波速描述为cm，桩身第n个缺陷距离描述为Ln，桩身第n 个缺陷初次反射波峰如入射波波峰时差描述为Δtn，同一缺陷相邻峰间频差描述为Δfn，则桩身缺陷位置计算方法如下：

或者：

3.4 综合评估

检测分析反射波波形，根据波形特点，基于桩混凝土设计强度要求，4 级划分工程桩完整性，分析总结试验结果，描述桩身结构完整性，记录波形曲线。此种检测的局限性是地质条件与桩土互相影响，当工程需要进一步评价桩承载力时，应实施高应变动力试桩试验，或者采用静载试桩试验方法。此外，上述试验过程中难以细化缺陷类型，检出的桩基缺陷可能为裂缝、接缝、材料离析、缩径、夹泥等问题[5]。软土桩基常见缺陷如图4 所示。

图4 软土桩基常见缺陷

4 结语

综上所述，反射波检测可快速无损评估软土桩基完整性，检出桩基桩体裂缝、接缝等不完整缺陷。对于超长桩必要时可采用高应变动力试桩等方法进行深度检测，定位缺陷。同时由于地质条件对基桩反射波法检测结果具有较大的影响。因此，检测人员要考虑地质条件对反射波法的影响因素进行分析，并结合工程的实际情况进行准确的判断，确保工程基桩的成桩质量。