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摘要:低应变反射波法在桩身质量检测中是一种常用方法，具有简便、经济、实用等技术优点。本文介绍了低应变反射波法的原理，并结合低应变反射波法检测实例，实践表明该法能对桩身的质量作出准确判别，可进一步推广。
关键词:低应变；反射波法；检测；原理；桩身
近年来，随着我国工程建设事业的快速发展，桩身检测作为隐蔽工程验收的重要环节，对保证整个工程建设的安全稳定起着十分重要的作用。低应变反射波法经过多年的研究和应用,得到了工程界的广泛认可,对于保障桩基工程质量起到了积极的作用。低应变反射波法可适用于检测桩身混凝土的完整性,推断缺陷类型及其在桩身中的位置,对桩身混凝土的强度等级作出估计。在此，本文主要讨论低应变反射波法的基本理论，探讨相关检测的问题。
1 灌注桩及其检测技术概况
基桩检测技术通常有直观检查法、辐射能检测法、静力检测法和动力检测法。基桩动力检测技术目前主要有低应变法、高应变法,各有优缺点。低应变反射波法因其具有室外数据采集快速、仪器轻便、测试成本低廉、测试周期短、测试信号分析简单、对桩身无损,非常适用于规模普查,因此在桩身质量检测中应用最为广泛,主要用于检查桩身完整性,检查缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣等桩身可能存在的异常及其位置,并核对桩长、推算混凝土强度等。
反射波法可使用波动方程曲线拟合分析,对桩身完整性进行定量判别。但由于曲线拟合分析理论的不完善性,使用曲线拟合法得到的定量判别结果受到尺寸效应,测试系统频响,高频波频散、滤波处理等造成的波形畸变,以及桩侧土阻尼、桩土相互作用等的影响,目前曲线拟合法定量判别尚未达到精确的程度。本文仅从反射波法基本原理出发,在定性判别灌注桩桩身完整性的层次上探讨反射波法相位特征、波形特征、波阻抗变化等实用判据及典型工程实例,供基桩质量检测从业者参考。
2 低应变反射波法基本原理
2.1 基本模型
反射波法是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法所采用的基本模型假定桩为连续弹性的一维均质杆件,并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响。因此,桩的典型弹性体振动模型是直杆的纵向振动。
取直杆的轴线作x轴,假设变形前的原始截面A、密度ρ、弹性摸量E及其他材料性能参数均与坐标无关,各运动参数仅为x和t的函数,直杆各截面的纵向振动位移可表示为u(x,t),桩身位移满足一维波动方程:
(1)
(2)
式中: ρ为桩身混凝土密度,kg／m3；vc为纵波在桩身混凝土中的传波速度,m／s。
2.2 时域分析原理
垂直入射的应力波在桩内传播过程中,当桩身存在波阻抗差异界面时,在界面上将产生反射波和透射波,反射波将沿桩身反向传播到桩顶,而透射波继续向下传播(见图1)。当桩身几何尺寸或材料物理性质发生变化时,相应的ρ、Vc、A发生变化,其变化发生处称为波阻抗界面。将波阻抗的比值表示为:
(3)
式中:n为波阻抗比。
根据应力波传播理论:
， (4)
其中
， (5)
式中:F为反射系数；T为透射系数。
式(4)、(5)就是低应变反射波法反射波与入射波的速度相位关系式。
以完整桩的首次桩底反射时间Δt来计算该桩的平均波速:
Vc=2L／Δt (6)
式中:L为完整桩桩长,m；Δt为完整桩底板射波的传播历时,s。
通常使用同一工程内多根完整桩桩身波速平均vc值来计算缺陷位置:
Li=(vciΔti)／2 (7)
式中:Li为缺陷位置,m；Δti为缺陷处反射波的传播历时,s。
图1 垂直入射的应力波在桩内传播图
2.3 频域分析原理
对于完整桩,相邻两阶谐振峰间的频差:
(8)
对于纯摩擦桩和纯端承桩,理论上为精确值；对一般支承桩,频差并不严格保持等间距,但趋近于常数vc／2L。
如果桩身存在缺陷,应力波在桩顶与缺陷处来回反射,出现缺陷频率谐振峰,相邻两阶谐振峰的频差为:
(9)
式中:L／为缺陷距桩顶的距离,m。
式(8)及式(9)即是频域法判别依据。
3 实用判别依据及工程实例
一般来说,对于完好桩,采集的速度时程曲线是规则的。如果测试曲线存在明显的或者复杂的变化特征,可归结为桩身截面积变化、桩身材料变化、桩周土阻力变化所造成的。突变的信号与桩身阻抗的突变有关；而渐变范围较大的反射信号则与桩周土层阻力有关。在实际使用过程中,应结合工程地质条件、施工记录以及实践分析经验,应用反射波法基本原理分析反射波的相位、频率、振幅、频率波的到达时间等特征,才能对桩身的完整性作出准确判别。
3.1 完整桩
某工程钻孔灌注桩,桩径Φ600,桩长49m,桩身混凝土强度等级为C25,持力层为圆砾,实测曲线见图2。反射波波形规则,波列清晰,波速正常,桩底反射明显,易于读取反射波到达时间,桩身介质均匀,无缺陷,及桩身混凝土平均波速较高,底反射清晰为同相,混凝土波速为3270m／s,时域ΔT=29.5ms,计算桩长为48.2m,设计桩长与计算桩长相符,表明桩身完整,定为Ⅰ类桩。
图2 完整的钻孔灌注桩波型实测曲线图
3.2 有缺陷的钻孔灌注桩
(1)缩径
缩径桩反射波形比较规则,缩径处截面变小,波阻抗减小,应力波遇到缩径会产生与入射波同样的发射,波形比较规则；由于阻抗不大,一般能看到桩底反射信号；若缩径处较浅,缩径还会出现有多次反射,若缩径程度较严重,则难以看到桩底反射。
(2)断裂
浇灌时将导管拔出,管底密封不好而进水,钢筋笼上浮；浇灌完成后,桩身混凝土终凝前受外界因素作用断裂；或两次灌注时间过长形成断层,或成桩质量虽好但因受外力冲击作用造成桩身断裂。由于断裂桩和缩径桩在波形上十分相似,在判定上常被定为缩径桩。
有断裂的缺陷桩一般表现为夹杂一层阻抗较低的介质,反射波到达时间小于桩底反射波到达时间,且波幅较大,在波形曲线上形成同相反射,往往出现多次反射,间隔时间相等,第一次发射脉冲较高,前沿比较陡峭,波幅减少。由于断桩处的声波能量难以下传,一般难见断桩以下部位较大缺陷及桩底。如果是没有夹层的裂隙或断层,也可以辩认桩底。
(3)离析
离析主要表现为混凝土密实性差,或骨料、水泥相对集中,主要是由混凝土配合比不当、搅拌及振捣不匀、灌注时受地下水的影响等引起。桩身混凝土严重离析时,同相反射波不规则,后续信号杂乱,波速偏低,反射波幅减少,频率降低,一般可见以下部位较大缺陷及桩底信号。离析处介质的波速和密度较正常混凝土小,导致波阻抗降低,如离析面积较大,出现同相反射,与缩径类似,在大直径灌注桩离析面积在30%～50%之间,且有一定的厚度,先出现同相反射,后出现反相反射,反射脉冲幅值较高。一般离析处的反射波形不规则,后续反射信号杂乱,计算得到的波速偏小,一般不会掩盖桩身以下部位出现的较大的第二次缺陷信号或桩底反射。
(4)扩径
在灌注桩的施工过程中,利用特定的机械设备在钻孔的一定部位使孔径扩大也就是在桩身设置一定数量的分支,以充分利用该土层的持力能力,称为多支盘桩。多支盘桩为典桩的扩径桩。扩径桩的反射波形通常比较规则,反相,可能有多次反射,一般可见桩底信号。
3.3 嵌岩桩
嵌岩桩是指桩端嵌入基岩具有一定深度的大直径灌注桩。主要用于特大桥、高层建筑、重型厂房等建筑物的基础。由于嵌岩桩桩底持力层为坚硬的岩层,大部分嵌岩桩桩底反射与摩擦桩的桩底反射相比有不同的特征。
(1)桩底反射不清晰
由于应力波传波原理可知,当桩底岩石与混凝土的波阻抗相差不大时,即使桩较短,樁底反射也难以辨认。
(2)先反相后同相反射
当桩嵌入的岩层较硬、入岩深度较大时,嵌岩部分与基岩构成一体,相当于桩的截面积变大,波阻抗突然增大。应力波传播到入岩面,会出现与入射波反相的类似与扩径的反射,波形见图3。
图3 桩的实测曲线图
(3)反相反射
应力波在基岩面发生反相反射后,进入嵌入岩层中的桩身混凝土,由于桩周岩层的密度相对均匀,压缩波的阻抗减小,导致入岩反射后的曲线从零线下方升至零线以上,然后缓慢地降至零线附近。如桩嵌入的岩层相对较软,入射深度较小,有可能出现同相的桩底反射。某校区工程,为钻孔灌注桩,桩径Φ700mm,桩长8m,桩身混凝土强度等级为C30,混凝土波速为3500m／s, 桩底出现同相反射,在动测之前先对该桩进行静载试验,承载力满足设计要求,最大试验荷载为3000kN,桩顶沉降仅5mm。
3.4 桩底沉渣过厚
桩底沉渣过厚的反射波波形一般较清晰,同相,应注意与同场地的其他桩波形相比较。嵌岩钻孔灌注桩主要由于地层条件(如砂质粉土、特别是在有碎石土存在的土层),泥浆护壁不好(泥浆比重1∶3以上),施工操作不当,造成孔壁塌孔,引起单桩混凝土方量增加,充盈系数增大。加上清孔不力,孔底沉渣超出要求,使桩端与持力层不接触,降低桩端阻力；使桩侧土体变松散,降低了桩侧摩阻力。
4 结语
综上所述，通过现场检测与分析可知，运用低应变反射波法具有简便、经济、实用等优点，且结论较为准确有效，可以满足工程实践的需要。但是利用低应变反射波法检测桩身质量时，其正确结论的得出取决于各方面因素的共同作用，必要时还需综合采用其它一些方法如取芯、载荷试验等对桩身进行综合评价。
参考文献
[1] 黄燕 黄恒英;低应变反射波检测混凝土桩身缺陷的判定方法[J]广西城镇建设;2009.11
[2] 李火榆 严学开;灌注桩低应变反射波法与钻芯法检测结果比较[J]人民长江;2010.04
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:低应变；反射波法；检测；原理；桩身
近年来，随着我国工程建设事业的快速发展，桩身检测作为隐蔽工程验收的重要环节，对保证整个工程建设的安全稳定起着十分重要的作用。低应变反射波法经过多年的研究和应用,得到了工程界的广泛认可,对于保障桩基工程质量起到了积极的作用。低应变反射波法可适用于检测桩身混凝土的完整性,推断缺陷类型及其在桩身中的位置,对桩身混凝土的强度等级作出估计。在此，本文主要讨论低应变反射波法的基本理论，探讨相关检测的问题。
1 灌注桩及其检测技术概况
基桩检测技术通常有直观检查法、辐射能检测法、静力检测法和动力检测法。基桩动力检测技术目前主要有低应变法、高应变法,各有优缺点。低应变反射波法因其具有室外数据采集快速、仪器轻便、测试成本低廉、测试周期短、测试信号分析简单、对桩身无损,非常适用于规模普查,因此在桩身质量检测中应用最为广泛,主要用于检查桩身完整性,检查缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣等桩身可能存在的异常及其位置,并核对桩长、推算混凝土强度等。
反射波法可使用波动方程曲线拟合分析,对桩身完整性进行定量判别。但由于曲线拟合分析理论的不完善性,使用曲线拟合法得到的定量判别结果受到尺寸效应,测试系统频响,高频波频散、滤波处理等造成的波形畸变,以及桩侧土阻尼、桩土相互作用等的影响,目前曲线拟合法定量判别尚未达到精确的程度。本文仅从反射波法基本原理出发,在定性判别灌注桩桩身完整性的层次上探讨反射波法相位特征、波形特征、波阻抗变化等实用判据及典型工程实例,供基桩质量检测从业者参考。
2 低应变反射波法基本原理
2.1 基本模型
反射波法是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法所采用的基本模型假定桩为连续弹性的一维均质杆件,并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响。因此,桩的典型弹性体振动模型是直杆的纵向振动。
取直杆的轴线作x轴,假设变形前的原始截面A、密度ρ、弹性摸量E及其他材料性能参数均与坐标无关,各运动参数仅为x和t的函数,直杆各截面的纵向振动位移可表示为u(x,t),桩身位移满足一维波动方程:
(1)
(2)
式中: ρ为桩身混凝土密度,kg／m3；vc为纵波在桩身混凝土中的传波速度,m／s。
2.2 时域分析原理
垂直入射的应力波在桩内传播过程中,当桩身存在波阻抗差异界面时,在界面上将产生反射波和透射波,反射波将沿桩身反向传播到桩顶,而透射波继续向下传播(见图1)。当桩身几何尺寸或材料物理性质发生变化时,相应的ρ、Vc、A发生变化,其变化发生处称为波阻抗界面。将波阻抗的比值表示为:
(3)
式中:n为波阻抗比。
根据应力波传播理论:
， (4)
其中
， (5)
式中:F为反射系数；T为透射系数。
式(4)、(5)就是低应变反射波法反射波与入射波的速度相位关系式。
以完整桩的首次桩底反射时间Δt来计算该桩的平均波速:
Vc=2L／Δt (6)
式中:L为完整桩桩长,m；Δt为完整桩底板射波的传播历时,s。
通常使用同一工程内多根完整桩桩身波速平均vc值来计算缺陷位置:
Li=(vciΔti)／2 (7)
式中:Li为缺陷位置,m；Δti为缺陷处反射波的传播历时,s。
图1 垂直入射的应力波在桩内传播图
2.3 频域分析原理
对于完整桩,相邻两阶谐振峰间的频差:
(8)
对于纯摩擦桩和纯端承桩,理论上为精确值；对一般支承桩,频差并不严格保持等间距,但趋近于常数vc／2L。
如果桩身存在缺陷,应力波在桩顶与缺陷处来回反射,出现缺陷频率谐振峰,相邻两阶谐振峰的频差为:
(9)
式中:L／为缺陷距桩顶的距离,m。
式(8)及式(9)即是频域法判别依据。
3 实用判别依据及工程实例
一般来说,对于完好桩,采集的速度时程曲线是规则的。如果测试曲线存在明显的或者复杂的变化特征,可归结为桩身截面积变化、桩身材料变化、桩周土阻力变化所造成的。突变的信号与桩身阻抗的突变有关；而渐变范围较大的反射信号则与桩周土层阻力有关。在实际使用过程中,应结合工程地质条件、施工记录以及实践分析经验,应用反射波法基本原理分析反射波的相位、频率、振幅、频率波的到达时间等特征,才能对桩身的完整性作出准确判别。
3.1 完整桩
某工程钻孔灌注桩,桩径Φ600,桩长49m,桩身混凝土强度等级为C25,持力层为圆砾,实测曲线见图2。反射波波形规则,波列清晰,波速正常,桩底反射明显,易于读取反射波到达时间,桩身介质均匀,无缺陷,及桩身混凝土平均波速较高,底反射清晰为同相,混凝土波速为3270m／s,时域ΔT=29.5ms,计算桩长为48.2m,设计桩长与计算桩长相符,表明桩身完整,定为Ⅰ类桩。
图2 完整的钻孔灌注桩波型实测曲线图
3.2 有缺陷的钻孔灌注桩
(1)缩径
缩径桩反射波形比较规则,缩径处截面变小,波阻抗减小,应力波遇到缩径会产生与入射波同样的发射,波形比较规则；由于阻抗不大,一般能看到桩底反射信号；若缩径处较浅,缩径还会出现有多次反射,若缩径程度较严重,则难以看到桩底反射。
(2)断裂
浇灌时将导管拔出,管底密封不好而进水,钢筋笼上浮；浇灌完成后,桩身混凝土终凝前受外界因素作用断裂；或两次灌注时间过长形成断层,或成桩质量虽好但因受外力冲击作用造成桩身断裂。由于断裂桩和缩径桩在波形上十分相似,在判定上常被定为缩径桩。
有断裂的缺陷桩一般表现为夹杂一层阻抗较低的介质,反射波到达时间小于桩底反射波到达时间,且波幅较大,在波形曲线上形成同相反射,往往出现多次反射,间隔时间相等,第一次发射脉冲较高,前沿比较陡峭,波幅减少。由于断桩处的声波能量难以下传,一般难见断桩以下部位较大缺陷及桩底。如果是没有夹层的裂隙或断层,也可以辩认桩底。
(3)离析
离析主要表现为混凝土密实性差,或骨料、水泥相对集中,主要是由混凝土配合比不当、搅拌及振捣不匀、灌注时受地下水的影响等引起。桩身混凝土严重离析时,同相反射波不规则,后续信号杂乱,波速偏低,反射波幅减少,频率降低,一般可见以下部位较大缺陷及桩底信号。离析处介质的波速和密度较正常混凝土小,导致波阻抗降低,如离析面积较大,出现同相反射,与缩径类似,在大直径灌注桩离析面积在30%～50%之间,且有一定的厚度,先出现同相反射,后出现反相反射,反射脉冲幅值较高。一般离析处的反射波形不规则,后续反射信号杂乱,计算得到的波速偏小,一般不会掩盖桩身以下部位出现的较大的第二次缺陷信号或桩底反射。
(4)扩径
在灌注桩的施工过程中,利用特定的机械设备在钻孔的一定部位使孔径扩大也就是在桩身设置一定数量的分支,以充分利用该土层的持力能力,称为多支盘桩。多支盘桩为典桩的扩径桩。扩径桩的反射波形通常比较规则,反相,可能有多次反射,一般可见桩底信号。
3.3 嵌岩桩
嵌岩桩是指桩端嵌入基岩具有一定深度的大直径灌注桩。主要用于特大桥、高层建筑、重型厂房等建筑物的基础。由于嵌岩桩桩底持力层为坚硬的岩层,大部分嵌岩桩桩底反射与摩擦桩的桩底反射相比有不同的特征。
(1)桩底反射不清晰
由于应力波传波原理可知,当桩底岩石与混凝土的波阻抗相差不大时,即使桩较短,樁底反射也难以辨认。
(2)先反相后同相反射
当桩嵌入的岩层较硬、入岩深度较大时,嵌岩部分与基岩构成一体,相当于桩的截面积变大,波阻抗突然增大。应力波传播到入岩面,会出现与入射波反相的类似与扩径的反射,波形见图3。
图3 桩的实测曲线图
(3)反相反射
应力波在基岩面发生反相反射后,进入嵌入岩层中的桩身混凝土,由于桩周岩层的密度相对均匀,压缩波的阻抗减小,导致入岩反射后的曲线从零线下方升至零线以上,然后缓慢地降至零线附近。如桩嵌入的岩层相对较软,入射深度较小,有可能出现同相的桩底反射。某校区工程,为钻孔灌注桩,桩径Φ700mm,桩长8m,桩身混凝土强度等级为C30,混凝土波速为3500m／s, 桩底出现同相反射,在动测之前先对该桩进行静载试验,承载力满足设计要求,最大试验荷载为3000kN,桩顶沉降仅5mm。
3.4 桩底沉渣过厚
桩底沉渣过厚的反射波波形一般较清晰,同相,应注意与同场地的其他桩波形相比较。嵌岩钻孔灌注桩主要由于地层条件(如砂质粉土、特别是在有碎石土存在的土层),泥浆护壁不好(泥浆比重1∶3以上),施工操作不当,造成孔壁塌孔,引起单桩混凝土方量增加,充盈系数增大。加上清孔不力,孔底沉渣超出要求,使桩端与持力层不接触,降低桩端阻力；使桩侧土体变松散,降低了桩侧摩阻力。
4 结语
综上所述，通过现场检测与分析可知，运用低应变反射波法具有简便、经济、实用等优点，且结论较为准确有效，可以满足工程实践的需要。但是利用低应变反射波法检测桩身质量时，其正确结论的得出取决于各方面因素的共同作用，必要时还需综合采用其它一些方法如取芯、载荷试验等对桩身进行综合评价。
参考文献
[1] 黄燕 黄恒英;低应变反射波检测混凝土桩身缺陷的判定方法[J]广西城镇建设;2009.11
[2] 李火榆 严学开;灌注桩低应变反射波法与钻芯法检测结果比较[J]人民长江;2010.04
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。