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摘 要：费用低、检测速度快和检测覆盖面广等优点的低应变检测在基桩完整性检测中的应用十分广泛。在低应变检测中，又以发射波法应用较为普遍。依据低应变反射波法工作的基本原理和大量的实践经验，总结了该方法在测桩基结构缺陷时的反射波特征等，以确定缺陷类型。
关键词：桩基检测；低应变反射波法；实践；应用
引 言
随着我国客运专线、高铁、地铁的兴起，大型的铁路运输桥梁也越来越多的被修建，采用桩基础的桥梁形式也越来越普遍。然而这就要求对桩的质量、可靠性进行检测，然而检测中使用最普遍的还要数低应变反射技术。
1 低应变反射波法的基本原理
反射波法检测技术是以一维波动理论为基础的。当入射的波长大于桩径即、桩长大于桩径即：λ>D、L>D时，基桩可以视为一维弹性杆件。如果我们在桩顶施以激振力，基桩中会激发出弹性压缩波，这一纵向弹性应力波具有波的特性，遵循波的传播规律，它以速度C沿桩身向下传播。根据一维波动理论我们可以得知，弹性杆中的波阻抗是表征介质材料在动荷载下力学特征的基本数据，它是弹性赶件的横截面积、材料密度和材料弹性模量的函数即：Z=E·A/C=ρ·C·A。式中：Z-波阻抗（N·S/m）；C-应力波波速（m/s）；E-弹性模量（N/m2）；ρ-材料密度（kg/m3）；A-横截面积（m2）。应力波沿着桩身向下传播，依据波的传播规律，当桩身的介质发生变化即桩身波阻抗发生变化时，应力波将在介质的分界面上产生反射与透射。具有速度快、成本低和适用性强等优点的低应变反射波法，在各类工程检测中具有十分广泛的应用，其反映宏观的工程质量，是无法被其他技术所取代的。其工作原理是通过重力锤在桩顶施加竖直向下的压力，脉冲以波的形式在桩体进行传播，传播过程中波遇桩体发生变化，通过安装在桩顶的应力传感接收器接收应力波的变化，从而断定桩身是否完整。
2 现场实践检测
用桩基作为基础的某建筑群，其人工挖孔桩456跟。灌注桩837跟。上部结构是多层房屋时用的是灌注桩，混凝土采用强度C30的混凝土，桩长12m，桩径0.8m；当上部结构是大空间的厂房时，桩基础用的是人工挖孔桩，除桩长为15m，其他条件同上。
2.1 检测所具备的条件
（1）桩基的设计图纸、施工现场的地质资料、桩基的施工记录、桩基的分布图。
（2）检测仪器：电脑主机、力锤、仪器电量、加速度传感器接线头运行是否正常，耦合剂等是否安全。
（3）参数的设定：打开仪器，选择测试模式，输入工程名称、桩号、桩径、桩长、波速等一系列参数。
（4）加速计的放置：把加速计放置于提前磨平的桩顶位置处，用耦合剂将其粘贴牢。
（5）桩头的处理：用工具将桩顶的浮浆凿去，露出桩体的混凝土面。
2.2 测试数据的收集和分析
依据实践得出的数据以及检测过程中出现的一些问题，以下对影响检测的因素进行了具体分析。
2.2.1 桩头的处理及平整度的影响
桩头的处理，在现场信号的采集过程中是十分关键的。要想采集到较为理想的数据（波形），就必须对桩头进行细致的处理，不然就会为后续的数据处理带来麻烦。通常常见的是桩头浮浆清理的不干净，收集到的波形不理想，不能客觀地反映桩身的完整性。
如图1（a）为未清理浮浆前收集到的波形，可以看出桩头松散，只有这种情况才会产生这种震荡波形。图1（b）是浮浆清理后的收集到的波形，清理后震荡波形消失了，可以看出桩体有轻微的扩径，桩体缺陷部位体现得十分清楚，此波可取。
操作时的建议：桩头应露出含骨料的混凝土面层，传感器的粘贴位置与敲打的位置要打磨平整、敲击时不要敲碎、弄完后要处理干净。若敲击时敲击处出现破碎等情况，要重新打磨另一敲击点。
2.2.2 锤击位置对检测的影响
实心桩的激振点要选择在桩中心位置。但是在检测过程中，锤击位置不能总完全定位在桩中心位置处，以下为不同锤击位置检测比较。图2为不同锤击点对波形的影响。
对比以上两种波形：①锤击点在中心，波峰到波峰所用时是△t=6.22ms，C30混凝土中应力波的传播速度为v=3800m/s，依据公式可得出L=11.818m，与设计的桩长12m的相对误差是12-11.818/11.818=0.0154其误差值在5%以内，所以满足要求。②当锤击不在中心时，波峰到波峰所用时是△t=6.31ms，C30混凝土中应力波的传播速度为v=3800m/s，依据公式得出L=11.989m，计算同上可得出相对误差为0.0009，其也满足要求。锤击桩中心和不锤击桩中心的相对误差11.989-11.818/11.818=0.145p0.05依据此原理可得出锤击位置不同，虽然出现一些误差，但是这些误差都在循序范围以内，不会影响桩身质量的优劣判断。
依据以上分析表明：锤击的位置对波形的收集影响很小，若果在实际检测中应该按照要求选在桩的中心处。桩的顶面应该自由、密实、平整。
2.2.3 锤击速度对检测的影响
锤击速度的快慢决定能量的大小。如果速度慢，则能量小，应力波就相应的衰减，因此就看不到桩底反射与桩下部缺陷；若果速度快，则能量大，但是锤击速度过快就会出现桩顶混凝土酥松现象。实际检测过程中，依据多次反复试验，最终测得锤击速度对检测波形的收集同样存在影响。图3为不同锤击速度下的波形图。
综上所述：锤击速度没有太大的影响，曲线成大致相同的趋势，实际检测过程中，应根据检测的条件调试合适的速度。
2.2.4 加速度传感器粘贴位置对检测的影响
反射波法对传感器有特殊要求.传感器和激振点要保持较近的距离，用来记录几十米长的桩身反射信号，与此同时，强烈的激振信号不会产生畸变。因此传感器必须要有足够的量程与良好的阻尼特性。我们所检测的基桩，由于其材料特性及激振条件，要求接受到的信号频率在100Hz-1.5Hz之间。如果要记录满意的波形信号，就必须在良好的激振条件和适应的检波器的结合下才能实现。常用的速度的谐振频率一般为F=5Hz-40Hz，带宽10Hz-2KHz，符合波形记录条件的要求。实际检测过程中将速度传感器与加速度传感器对比检测。检测结果表明，速度传感器得到的波形曲线对浅层缺陷反应影响不太明显，高灵敏的加速度传感器得到的波形曲线无震荡而且缺陷很明显。 《建筑桩基检测规范》JGJ106-2003[2]8.3.3第二条要求“测量传感器安装位置宜为距桩心2/3半徑处”。实际检测过程中进行多次反复检测，会发现当传感器在桩径的1/2R～2/3R范围时，得到的波形曲线是直观可行的，能将桩体的缺陷直观的表达出来。
图4是传感器粘贴位置影响下的波形图。设计桩长，检测桩长的对比值呈现在表1中。
综合表1与波形曲线的参数得出，1/2R～2/3R范围内的波形表达的信息比较全，缺陷位置清晰明了。在1/2R～2/3R范围以外的波形也有桩底反射，但是不够明显，而且缺陷表达的也不够清晰。
2.2.5 锤头特性对检测的影响
锤击的过程中有两种不同的锤头，柔性锤头与刚性锤头。柔性锤头可以产生比较宽的初始波，对桩底反射很有利，但是会降低桩身缺陷的分辨率；刚性锤头可以激发出高频脉冲波，对浅部缺陷处的分辨率有较好地提高，但是容易衰减高频波。
锤击会产生质点的震动，质点震动则会形成波动传播，而波动传播在桩头周围可以近似作为半球波面，远离桩头则可近似作为平面波，检波器接受的恰好为平面波。因此，为了可以高效的识别浅层处的缺陷，工作人员应该适当地提高激振脉冲波的频率来增强分辨率，如果发现浅层部位的信号发生异常，应该立即用刚性锤头和柔性锤头共同进行激振，这样可以更加清晰地识别浅层缺陷。
3 结束语
桩基工程为地下工程，所以工作人员需要规范操作。桩头的处理比较重要，应该尽量避免浮浆清理不完全带来的影响；锤击的位置应该按照要求来选择，若果出现障碍可以根据实际情况进行调整，锤击的位置和粘贴传感器的位置应当平整，适当的提高速度，这由工作人员把握；运用加速度传感器收集波形时，粘贴要牢固且位置应选在1/2R～2/3R范围内；应用柔性锤头检测时，可以根据实际检测的情况，选用刚性锤头相结合，最终更清晰的识别浅层缺陷。低应变反射波法是一种基桩质量无损检测方法，实际的检测工程中有着其自身的优越性，与此同时，又存在着局限性，它所得到的信息还不可以对缺陷进行更为准确的定量判断，进而给缺陷的判别工作带来了困难。所以，在实际的检测工作中，如果遇到较为复杂的测试曲线的时候应该结合其它的方法进行检测，再将结果综合分析，最终得到更加全面的数据来判断桩身质量，采取相应的措施。
参考文献
[1]韩小敏.声波透射法在基桩质量检测中的应用.武汉：武汉理工大学，2010.
[2]李建平.小波分析与信号处理-理论应用及软件实现.重庆：重庆出版社，2007.
[3]徐攸在，刘家林，刘杰.用小应变动测法测定码头桩完整性的初步探讨.港工技术，2009，36.
作者简介：潘远兴（1975-），男，大学，中级工程师，主要从事工程地质工作。
关键词：桩基检测；低应变反射波法；实践；应用
引 言
随着我国客运专线、高铁、地铁的兴起，大型的铁路运输桥梁也越来越多的被修建，采用桩基础的桥梁形式也越来越普遍。然而这就要求对桩的质量、可靠性进行检测，然而检测中使用最普遍的还要数低应变反射技术。
1 低应变反射波法的基本原理
反射波法检测技术是以一维波动理论为基础的。当入射的波长大于桩径即、桩长大于桩径即：λ>D、L>D时，基桩可以视为一维弹性杆件。如果我们在桩顶施以激振力，基桩中会激发出弹性压缩波，这一纵向弹性应力波具有波的特性，遵循波的传播规律，它以速度C沿桩身向下传播。根据一维波动理论我们可以得知，弹性杆中的波阻抗是表征介质材料在动荷载下力学特征的基本数据，它是弹性赶件的横截面积、材料密度和材料弹性模量的函数即：Z=E·A/C=ρ·C·A。式中：Z-波阻抗（N·S/m）；C-应力波波速（m/s）；E-弹性模量（N/m2）；ρ-材料密度（kg/m3）；A-横截面积（m2）。应力波沿着桩身向下传播，依据波的传播规律，当桩身的介质发生变化即桩身波阻抗发生变化时，应力波将在介质的分界面上产生反射与透射。具有速度快、成本低和适用性强等优点的低应变反射波法，在各类工程检测中具有十分广泛的应用，其反映宏观的工程质量，是无法被其他技术所取代的。其工作原理是通过重力锤在桩顶施加竖直向下的压力，脉冲以波的形式在桩体进行传播，传播过程中波遇桩体发生变化，通过安装在桩顶的应力传感接收器接收应力波的变化，从而断定桩身是否完整。
2 现场实践检测
用桩基作为基础的某建筑群，其人工挖孔桩456跟。灌注桩837跟。上部结构是多层房屋时用的是灌注桩，混凝土采用强度C30的混凝土，桩长12m，桩径0.8m；当上部结构是大空间的厂房时，桩基础用的是人工挖孔桩，除桩长为15m，其他条件同上。
2.1 检测所具备的条件
（1）桩基的设计图纸、施工现场的地质资料、桩基的施工记录、桩基的分布图。
（2）检测仪器：电脑主机、力锤、仪器电量、加速度传感器接线头运行是否正常，耦合剂等是否安全。
（3）参数的设定：打开仪器，选择测试模式，输入工程名称、桩号、桩径、桩长、波速等一系列参数。
（4）加速计的放置：把加速计放置于提前磨平的桩顶位置处，用耦合剂将其粘贴牢。
（5）桩头的处理：用工具将桩顶的浮浆凿去，露出桩体的混凝土面。
2.2 测试数据的收集和分析
依据实践得出的数据以及检测过程中出现的一些问题，以下对影响检测的因素进行了具体分析。
2.2.1 桩头的处理及平整度的影响
桩头的处理，在现场信号的采集过程中是十分关键的。要想采集到较为理想的数据（波形），就必须对桩头进行细致的处理，不然就会为后续的数据处理带来麻烦。通常常见的是桩头浮浆清理的不干净，收集到的波形不理想，不能客觀地反映桩身的完整性。
如图1（a）为未清理浮浆前收集到的波形，可以看出桩头松散，只有这种情况才会产生这种震荡波形。图1（b）是浮浆清理后的收集到的波形，清理后震荡波形消失了，可以看出桩体有轻微的扩径，桩体缺陷部位体现得十分清楚，此波可取。
操作时的建议：桩头应露出含骨料的混凝土面层，传感器的粘贴位置与敲打的位置要打磨平整、敲击时不要敲碎、弄完后要处理干净。若敲击时敲击处出现破碎等情况，要重新打磨另一敲击点。
2.2.2 锤击位置对检测的影响
实心桩的激振点要选择在桩中心位置。但是在检测过程中，锤击位置不能总完全定位在桩中心位置处，以下为不同锤击位置检测比较。图2为不同锤击点对波形的影响。
对比以上两种波形：①锤击点在中心，波峰到波峰所用时是△t=6.22ms，C30混凝土中应力波的传播速度为v=3800m/s，依据公式可得出L=11.818m，与设计的桩长12m的相对误差是12-11.818/11.818=0.0154其误差值在5%以内，所以满足要求。②当锤击不在中心时，波峰到波峰所用时是△t=6.31ms，C30混凝土中应力波的传播速度为v=3800m/s，依据公式得出L=11.989m，计算同上可得出相对误差为0.0009，其也满足要求。锤击桩中心和不锤击桩中心的相对误差11.989-11.818/11.818=0.145p0.05依据此原理可得出锤击位置不同，虽然出现一些误差，但是这些误差都在循序范围以内，不会影响桩身质量的优劣判断。
依据以上分析表明：锤击的位置对波形的收集影响很小，若果在实际检测中应该按照要求选在桩的中心处。桩的顶面应该自由、密实、平整。
2.2.3 锤击速度对检测的影响
锤击速度的快慢决定能量的大小。如果速度慢，则能量小，应力波就相应的衰减，因此就看不到桩底反射与桩下部缺陷；若果速度快，则能量大，但是锤击速度过快就会出现桩顶混凝土酥松现象。实际检测过程中，依据多次反复试验，最终测得锤击速度对检测波形的收集同样存在影响。图3为不同锤击速度下的波形图。
综上所述：锤击速度没有太大的影响，曲线成大致相同的趋势，实际检测过程中，应根据检测的条件调试合适的速度。
2.2.4 加速度传感器粘贴位置对检测的影响
反射波法对传感器有特殊要求.传感器和激振点要保持较近的距离，用来记录几十米长的桩身反射信号，与此同时，强烈的激振信号不会产生畸变。因此传感器必须要有足够的量程与良好的阻尼特性。我们所检测的基桩，由于其材料特性及激振条件，要求接受到的信号频率在100Hz-1.5Hz之间。如果要记录满意的波形信号，就必须在良好的激振条件和适应的检波器的结合下才能实现。常用的速度的谐振频率一般为F=5Hz-40Hz，带宽10Hz-2KHz，符合波形记录条件的要求。实际检测过程中将速度传感器与加速度传感器对比检测。检测结果表明，速度传感器得到的波形曲线对浅层缺陷反应影响不太明显，高灵敏的加速度传感器得到的波形曲线无震荡而且缺陷很明显。 《建筑桩基检测规范》JGJ106-2003[2]8.3.3第二条要求“测量传感器安装位置宜为距桩心2/3半徑处”。实际检测过程中进行多次反复检测，会发现当传感器在桩径的1/2R～2/3R范围时，得到的波形曲线是直观可行的，能将桩体的缺陷直观的表达出来。
图4是传感器粘贴位置影响下的波形图。设计桩长，检测桩长的对比值呈现在表1中。
综合表1与波形曲线的参数得出，1/2R～2/3R范围内的波形表达的信息比较全，缺陷位置清晰明了。在1/2R～2/3R范围以外的波形也有桩底反射，但是不够明显，而且缺陷表达的也不够清晰。
2.2.5 锤头特性对检测的影响
锤击的过程中有两种不同的锤头，柔性锤头与刚性锤头。柔性锤头可以产生比较宽的初始波，对桩底反射很有利，但是会降低桩身缺陷的分辨率；刚性锤头可以激发出高频脉冲波，对浅部缺陷处的分辨率有较好地提高，但是容易衰减高频波。
锤击会产生质点的震动，质点震动则会形成波动传播，而波动传播在桩头周围可以近似作为半球波面，远离桩头则可近似作为平面波，检波器接受的恰好为平面波。因此，为了可以高效的识别浅层处的缺陷，工作人员应该适当地提高激振脉冲波的频率来增强分辨率，如果发现浅层部位的信号发生异常，应该立即用刚性锤头和柔性锤头共同进行激振，这样可以更加清晰地识别浅层缺陷。
3 结束语
桩基工程为地下工程，所以工作人员需要规范操作。桩头的处理比较重要，应该尽量避免浮浆清理不完全带来的影响；锤击的位置应该按照要求来选择，若果出现障碍可以根据实际情况进行调整，锤击的位置和粘贴传感器的位置应当平整，适当的提高速度，这由工作人员把握；运用加速度传感器收集波形时，粘贴要牢固且位置应选在1/2R～2/3R范围内；应用柔性锤头检测时，可以根据实际检测的情况，选用刚性锤头相结合，最终更清晰的识别浅层缺陷。低应变反射波法是一种基桩质量无损检测方法，实际的检测工程中有着其自身的优越性，与此同时，又存在着局限性，它所得到的信息还不可以对缺陷进行更为准确的定量判断，进而给缺陷的判别工作带来了困难。所以，在实际的检测工作中，如果遇到较为复杂的测试曲线的时候应该结合其它的方法进行检测，再将结果综合分析，最终得到更加全面的数据来判断桩身质量，采取相应的措施。
参考文献
[1]韩小敏.声波透射法在基桩质量检测中的应用.武汉：武汉理工大学，2010.
[2]李建平.小波分析与信号处理-理论应用及软件实现.重庆：重庆出版社，2007.
[3]徐攸在，刘家林，刘杰.用小应变动测法测定码头桩完整性的初步探讨.港工技术，2009，36.
作者简介：潘远兴（1975-），男，大学，中级工程师，主要从事工程地质工作。