桩基检测之低应变反射波法简析

本文针对某桩基工程采用低应变反射波法检测钻孔灌注桩工程质量的实例进行详细分析，贵州地基检测为你阐述低应变反射波法的基本理论及其作用和缺陷，实践证明该方法能较有效的对桩基进行检测。

1贵州地基检测告诉你低应变反射波法

低应变反射波法是以一维边界条件下的波动方程(公式(1))为理论基础，通过分析应力波在桩体(一维杆件)中传播、反射的时域曲线特征和频域曲线特征来确定桩身完整性的一种方法。

式中：c为波的传播速度；u(x，t)为质点的运动位移；E为弹性模量； 为密度。

1．1时域和频域分析

在桩顶激振后，产生应力波，(压缩波)，应力波沿桩身传播遇到波阻抗变化界面时会产生反射波，和透射波 (见图1)，应力波在桩顶和波阻抗发生变化界面处(或桩底)传播、反射，形成桩一土系统的特征频率， 反射波的相位特征、频率特征、形态特征可以反映出波阻抗的变化特征(见式(2)～式(5))。

式中：A为截面积；Z为波阻抗； ，为反射系数；△ ，为特征频率； Ⅱ为桩一土阻力函数，0Z 时a一0，Z。>Z，时a≈ O．5。

根据公式(3)可以把桩身混凝土的波阻抗变化特征归纳为以下三种类型：

① Z 一Z，，即波阻抗无变化，R，=0，应力波全部透射，不产生反射波。桩身混凝土结构均匀、完整、无缺陷且桩底基岩波阻抗与桩身混凝土波阻抗基本相同。

② Z >Z，，即反射界面下段波阻抗变小，R < 0，反射波与入射波同相，该类波阻抗变化特征主要对应于桩体内有缩径、离析、断裂、夹泥等缺陷。

③ Z < Z，，即反射界面下段波阻抗变大，R，>0，反射波与入射波反相，该类波阻抗变化对应于桩体存在扩径、桩底基岩强度大于桩身混凝土强度的现象。

L 2时域和频域波速计算

应力波在桩顶和波阻抗反射界面之间传播；在频率、速度、距离上存在以下关系：

式中：C为桩身的一维应力波纵波波速(m／s)，简称波速；L为桩顶测点与反射界面的距离(m)；△ t为续至反射波峰值与初至入射波峰值的时刻差；△ f为幅值谱上桩顶和反射界面相邻峰值间的频率差，即桩的特征频率(Hz)。

2常见缺陷类型低应变时域曲线特征

根据不同的地质条件和设计要求，灌注桩施工过程中采用不同的施工工艺，施工过程中桩身混凝土也会出现不同的缺陷特征和质量问题，在低应变时域曲线上也会有不同的特征。

(1)桩身结构完整，混凝土粗骨料分布均匀、固结完整，桩身无明显的波阻抗变化，低应变时域曲线桩底反射特征明显，波速在对应的混凝土强度等级范围内。曲线形态特征见图2。

(2)人工挖孔桩在桩孔内无水情况下，如果不采用水下导管灌注工艺，混凝土施工过程中容易出现机械振捣不足，混凝土固结不够均匀密实，或者混凝土固结时间不足的质量问题，应力波在此类桩身混凝土中传播会发生散射和绕射，应力波的能量被吸收，衰减作用比较强烈，桩的波速也相对偏低。曲线形态特征见图3。

(3)在成孔过程中遇到地震可液化层、软弱土层或承压水层时，往往需要夯填大量片石、膨润土、水泥等并挤压至孔壁土层，以加固孔壁或者封堵承压水，该类夯填物的波阻抗远大于桩周土的波阻抗，从而形成高阻抗反射界面。另外，孔壁局部坍塌也可导致坍塌处扩径成高阻抗反射界面。曲线形态特征见图4。

(4)在混凝土灌注过程中如果导管1：3离隔离层距离太短，或导管漏水，容易引起坍落物、浮浆被埋入桩体混凝土中，形成离析、夹泥的低波阻抗反射界面，该类桩的曲线形态特征见图5。

(5)在可塑～流塑的粘性土层中，孔壁土体在自重压力作用下产生塑性变形，形成缩径。该类桩的益线形态特征与离析、夹泥等缺陷的曲线形态特征类似。 曲线形态特征见图6。

(6)在灌注桩施工过程中，如果导管口上提超过隔断层，将隔断层之上大量孔壁坍塌物、泥浆等悬浮物淹没于桩身混凝土之间就会形成断桩，此时，完整混凝土的波阻抗远大于桩体中坍塌物、泥浆等悬浮物的波阻抗(反射系数趋近于1)，有效应力波将在波阻抗变化界面和桩顶之间来回反射传播 形成二次反射或多次反射。曲线形态特征见图7。

其中，A、B、C、D点分别为反射波的初至及续至波到达桩顶的时间，根据公式(6)，相邻反射波峰之间的时间差△ t(频差△ f)是相同的。即：△t0A=△tAB=△ 。：△ 。，这是对时域和频域曲线进行分析过程中判定是否为断桩缺陷最为主要的依据。

3低应变现场数据采集要点 

3．1安装桩头处理和传感器

① 桩头应凿去浮浆，露出完整、密实混凝土，凸凹高差不宜超过3 Cm。

② 在桩顶平面中心和距中心2／3倍半径处均匀布置3～4处直径不小于l 0 Cm的平面，作为应力波激发点或传感器接收点。

③传感器用橡皮泥、黄油或石膏紧密粘合于接收点平面。

3．2选择激振设备

一般情况下构成力锤的材质越软，产生的低频成分就越丰富，低频应力波的能量就越集中，探澍的深度就越深；反之，构成力锤的材质越硬，激发高频成份就越多，高频应力波的能量就越集中，能量衰减就越快，探测的深度就越浅。低频波虽然有利于探测桩底反射和深部缺陷，但是会降低对浅部缺陷和小型缺陷的分辨率；高频波虽然有利于探测桩浅部缺陷和小型缺陷，但是能量衰减比较快，很难探测到深部的缺陷， 同时高频应力波容易受浅部外界干扰因素(桩头不规则、钢筋笼谐振)的影响产生干扰信号。因此在实际检测过程中应根据桩长和需要检测的深度，反复比选，寻找合适的激振设备，才有可能获得正确的波形曲线。常见的激发力锤有：小钢锤、小铜锤、尼龙锤、木锤等。

3．3贵州地基检测位分析现场异常情况

现场实测过程中经常会遇见一些奇特的波形，引起波形异常的原因主要和激发方式、传感器安装以及桩头处理有着密切的关系。

(1)时域曲线初至波携带高频子波，出现这种情况的原因在于被测桩存在浅部缺陷，见图8。

(2)时域曲线初至波与续至波呈超低频特征，出现这种情况的原因在于安放传感器的混凝土体与桩体完整混凝土已经有裂隙。时域曲线反映的是松动混凝土体的低频谐振，见图9。

(3)时域曲线初至波形顶端分叉，出现这种情况的原因在于激发力棒或力锤顶端有劈裂现象，见图1 0。

(4)时域曲线偏离基线，或出现高频振荡，这种现象主要是由于传感器结合面不水平、激振时不垂直或激振点、传感器接收点靠近桩项环桩箍筋所致，见图11。

(5)当传感器与激振点距离比较近或激振能量比较大的时候，信号曲线上会有比较多的面波干扰信号，这些信号将淹没浅部缺陷的反射信号，见图1 2。

4低应变反射波法检测缺陷 

4．1浅部缺陷的检测盲区

桩顶激发脉冲波在初始传播阶段其实是半球面波，当传播到一定距离以后，球面波才可能近似看作平面波，满足低应变平面假设条件，而从桩顶到此深度范围内应力波的传播比较复杂，信号干扰严重，这个区域被称为一维应力波的盲区；该盲区深度范围在l倍的桩径到1／2波长之间。盲区的大小与激发脉冲信号的宽度密切相关，实测过程中可以通过提高力锤硬度、减弱激发能量、减小脉冲宽度等方式减小盲区范围。

4．2难以探测到深部缺陷

由于桩身混凝土内部结构的不均匀性导致应力波在传播过程中的散射、绕射和反射，从而削弱了应力波传播的振幅和能晕，同时桩周土对有效应力波也起衰减作用，一般情况下，桩长超过川I1]左右就难以接收到桩底反射信号。同时桩身存在的浅部严重缺陷(如断桩)将入射波的能量大部分转换为反射波从而削弱了透射波的能量，如图7，对于埋深4m以下的缺陷就无法再采集到有效信号。

4．3缺乏判定缺陷程度的依据

低应变检测资料分析过程中，对于时域曲线的反射波形特征，可以根据时域和频域分析，计算缺陷存在的位置，根据有无桩底反射波、反射波的相位特征、是否存在二次或多次反射以及反射波的振幅衰减情况、频率变化情况，可以定性地判断桩体是扩径、离析、夹泥、缩径或者断裂。但是对于缺陷存在的厚度、大小以及对于工程质量的影响程度则缺乏完整的分析、评价依据。在实际现场数据分析过程中往往采取抓大放小的原则确定桩身质量缺陷的程度。

结束语

贵州地基检测提醒你：低应变反射波法具有外业数据采集简单、快捷的特点，能够对大量的工程桩在短时间内开展质量普查工作，本着“抓大放小” 的原则，对桩长相对较短、反射波形特征比较明显的基桩质量缺陷作出比较客观的评价，但是受激振方式、桩身质量、桩端土和桩周土的地质特性以及仪器设备等因素的影响，难以探测到长、大桩深部的缺陷； 同时，仅根据缺陷的反射波形特征、相位变化特征、频率变化特征还无法对缺陷的大小和对工程质量的影响程度作出定量的评价，对于低应变反射波时域曲线上反映比较突出的缺陷还需要结合钻探取芯验证确定其质量缺陷程度。