探讨低应变反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）完整性检测方法

杨明

摘要：低应变反射波法用于检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）还处于探索应用阶段，试就其可行性以及应用中的不确定性、具体操作步骤作以探讨。

关键词：低应变反射波；检测；CFG桩；完整性；可行性

中图分类号：TU473.1*2

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）07-0168-02

1.前言

随着我国国民经济与工程建设的快速发展，基桩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。在各种检测方法中，反射波法目前应用最广泛、使用最便捷，理论与实践发展也比较成熟，有比较先进的仪器设备及应用分析软件，事实证明它是一种准确可靠、经济快捷的检测手段。但是总体而言，基桩检测技术在我国的应用发展时间还不长，许多测试方法不仅理论上不够完善，实际应用中也存在一些问题。反射波法虽然发展较快，应用广泛，但同样存在问题和缺点（局限性），同时因其简便快捷、成本低廉，目前有忽视其缺点和适用范围而走向泛滥的趋势。

近年来，随着水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）在软土地区的广泛应用，工程上迫切需要一种能够对此种桩桩身质量进行快速有效地分析与评估的检测手段。但是长期以来，此种桩的桩身质量的检测往往只能依赖于静载荷试验。这种方法尽管直接可靠，但由于其时间长、成本高，所以很难对大批量的水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）进行综合质量评估，其结果也就难免以偏概全。

因此，能否将应用于混凝土桩身质量评价的反射波法成功的应用于水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩），已经成为桩基动测界中一个迫切需要研究及解决的课题。在国内，到目前为止，有许多学者与同行进行过相关的研究，但是由于所检测的对象具有相当的复杂性（地质环境差异、桩身材料的非严格均匀性、桩周介质阻抗与桩身介质阻抗差异小、施工工艺的差异、测试现场条件的差异），其准确性与可靠性还有待进一步提高与完善。

2.反射波法的理论基础与可行性分析

2.1基本原理

基桩低应变动力检测反射波法的基本原理是在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接受放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级。还可根据视波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。

2.2波形分析

由于反射波形在同一场地的完整桩上具有极为良好的相似性，可以通过对在时间域内桩基的波形检测结果进行分析对比，结合相关桩基施工记录、地质情况、波形特征等数据，选择出本区域内最为良好的波形作为标准波形，进而通过其他桩波形与之对比得出缺陷性质。在频率域内可以通过对桩基检测结果进行频谱分析，同时通过缺陷桩的频谱特征结合相应的时域波形特征能够进一步确定缺陷类型和缺陷部位。L=△T×V/2其中：

L'为缺陷距桩顶距离，△T为缺陷峰值与入射波峰值的时间差，V为此syf桩的波速。

完整桩（图1）：

桩底反射和入射同相位，中间无其他杂波；频谱图（图2）中，谱峰排列规则，相邻峰值间隔相等。离析、夹泥（图3）：开始反射波与入射波同相位，缺陷部位入射波与反射波反相位；反射脉冲宽度比入射脉冲宽度大。可见桩底反射波。

2.3低应变反射波法检测桩体完整性的可行性分析

反射波法是建立在一维波动理论的基础上的。假设桩为质地均匀、各向同性的一维线弹性体（桩的长度远大于直径，且入射波波长入大于桩的直径），当用手锤在桩顶敲击时，产生的应力波在桩身传播满足一维波动方程，对于水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的假设设定如下：（1）水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）是否可视为一维杆件。（2）水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）身材料是否可视为弹性材料。（3）水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）桩身波阻抗是否可以被识别。

从目前工程上的应用来看，水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）桩径多为50cm，桩长多为8m以上，长径比一般在16以上，符合桩长远大于桩径的理论条件，桩体可视为一维杆件。

水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）是由水泥与粉煤灰材料充分搅拌硬化而成，在受力初期，应力与应变关系基本上符合虎克定律。可视为弹性材料。

与混凝土灌注桩相比，尽管水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）桩身波阻抗明显要小，但目前大量的工程试验资料证明，水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）桩身抗压强度可达400千帕以上（425#水泥，龄期30d），其抗压强度也大于桩周土强度，基本符合一维波动方程的理论假设。对实际工程桩的检测也表明，一维压缩波在水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）桩身以内的入射、透射、反射特征清晰。

基于以上分析，反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的桩身质量是可行的。

从该种方法的实际应用与可靠性分析来看：

与检测混凝土灌注桩相比，反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）有着其自身的特殊性。

首先是检测时确定检测龄期的问题。统计资料表明，到28d龄期时，水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的强度为设计强度的60-70%左右，到90d龄期时才能达到设计要求。从检测效果的角度出发，龄期越长，强度越高，检测效果越好。如果过早地进行检测，水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）尚未完全硬化，桩的波阻抗与桩周土的波阻抗较为接近，则不满足一维波动方程的理论假设。或由于锺击时，因为桩身整体强度不高，形成波形的低频震荡，导致无法进行有效的分析与判断。因此建议水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）最佳的检测龄期为28d以后。

其次检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）时，弹性波在桩内部传递时，介质散射引起的衰减较小，而介质吸收产生的衰减较大。为了取得良好的检测效果，应尽可能破除桩顶松散层，打磨各测点，并选择合适的振源，一般尼龙锤具有较好的指向性和穿透力。为减少弹性波的损失，应采用如黄油、凡士林一类的胶状或浆状物质作耦合剂。

最后，选择合理的波速成为一次成功检测的关键，反射波测出的实际有效桩长：

L=tc/2

式中：t-弹性波由桩顶传至桩底、经反射后传至桩顶的时间（由仪器测定）；

c-弹性波在桩身内传播的波速，m/s。

因此，波速的选择直接影响到实测桩长与缺陷位置判断的准确性。波速选择的越合理，越具代表性，实测桩长的误差就越小，反射波法检测的可靠性就越高。

经过大量的实践证明，只要选择合理，处理得当，在满足一定的条件下，完全可以利用反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的桩身完整性。

3.反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）不确定因素与局限性

尽管反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）有着快速、可靠等诸多优点，但仍有其一定的局限性。

首先，经验波速随着龄期、强度、水泥含量、粉煤灰含量、土样含水量变化存在着明显的不确定性，造成经验波速范围波动过大，直接造成检测结果误差增大。而为取得有代表性的经验波速，在工程桩同期打试桩，既不太可能也不太实际。所以这还得通过今后不断的积累和完善，建立起一套完整的经验波速与各影响因素的相关数据库，才能真正使反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）走向成熟应用。

其次，反射波法应用的对象应是一弹性的均匀体，而目前落后的施工工艺造成的桩身不均匀性，也制约着反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的应用。有时因搅拌不充分造成的水泥层状、片状分布将会令反射波法很难甚至无法分析。

4.反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的检测步骤

在检测中使用RS-W（P）型基桩动测仪，该仪器采用的加速度型传感器，横向灵敏度低，只有锤击到一个有效脉冲时，传感器才会记录一个信号，数据传输到现场接收计算机进行储存。

锤击力量太大或太小都不产生能被记录的脉冲。激振产生的波动模式单一，只含纵波，可以得到清晰的底部反射。具体的检测步骤如下：（1）清理整平桩头；（2）调试仪器，选择适当参数；（3）将加速度传感器垂直安放在桩头的平整部位；（4）用小棰在桩头选择适当的能量激振；（5）选取较为理想的波形曲线并存储；（6）将数据传输至计算机，对记录曲线进行分析、计算，并评价桩身质量。

5.结语

总之，应用基桩低应变动力检测法检测桩基础的成桩质量简便、快捷，可以在较短的时间内完成大量而且复杂的的工作，是微波电子检测技术与电子计算机技术在土建工程实际应用取得良好效果的又一典范。值得在日后工程大力推广应用。同时，反射波法检测水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的桩身质量目前还处于发展阶段。反射波法在一定条件下可以对水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）的质量进行检测，但还需综合采用其它一些方法如静载荷试验等对桩身进行综合评价。