基于反射波法的灌注桩质量检测研究

李继东，马 芸，张 震

(1.南阳市建设工程质量监督检测站，河南 南阳 473004;2.新乡学院土木工程与建筑学院，河南 新乡 453003;3.华北水利水电大学资源与环境学院，河南 郑州 450000)

0 前言

灌注桩在工程实践中应用较为广泛，由于灌注时基本为地下实施或水下进行，因此其施工质量控制和检测较为困难。工程实践中会经常发生桩体的断桩、缩径、夹泥等，也会发生离析、沉渣过厚等质量缺陷。国内相关资料数据显示，具有质量隐患的灌注桩施工比率约为15%～20%。目前对于成桩后的质量，多采用反射波(低应变)法来检查成桩质量，测定混凝土基桩的桩身完整性，可以有效推定桩身存在缺陷的程度及缺陷所在的位置，也可以对基桩的有效桩长进行校核。

1 反射波法原理及设备安装对检测效果的影响

1.1 基本原理及检测发展过程

本方法的基本理论依据是一维线弹性杆件模型，按模型推算受检测桩基的长细比、瞬间激励脉冲有效高频分量的波长与桩的横向尺寸之比均宜大于5，设计桩身截面宜符合模型的基本规则［1］。该方法在对桩体进行检测时只能定性的对桩身缺陷程度进行判断，难于进行定量判断缺陷性质。对于桩身不同类型的缺陷。在工程实际中，只凭反射波法获得的测试信号很难区分桩体中出现的各类型缺陷。

随着工程技术的进步和基础理论的发展，Smith于1960 年建立了离散质量—弹簧模拟模型，组成锤—桩—土组成的打桩系统，利用数学差分法、数值法求解一维波动方程来模拟分析动力打桩过程，建立了目前高应变动力检测数值方法的雏形，为应力波理论在桩基工程中的应用奠定了基础［2］。1965 年美国Case 技术学院G.C.Goble 教授领导的研究小组以行波理论为依据，提出了一套桩的动力测试和分析的新方法，也就是俗称的Case 法。Case 法从行波理论出发，推导出一系列简便的分析计算公式，并改善了相应的测试仪器，形成了一套通过监测现场打桩过程实时分析计算桩的承载力、打桩系统的效率、桩身应力、桩身质量的方法［3］。该方法具有实时分析功能强，公式简洁明了等优点，但在推导过程中很多对桩—土力学模型作出的桩—土体系假定与实际的力学性状存在相当大的差异，因此基本假定的逻辑不够严谨，在后期的理论发展中该方法又被称为一维波动方程的准封闭解或半解析解。1974 年，高勃尔的研究小组提出了以Case 法实测波形曲线为边界条件，采用史密斯法的桩—土力学模型和数值计算方法的一维波动方程反演分析法——波动方程实测曲线拟合法，并正式提出了命名为“Capwap”的计算程序。以后，又对桩的计算模型作了改进，采用连续杆件模型代替原来的离散质—弹模型，并对土模型作了细化，以使土模型更接近土的实际状态，这就是目前被广泛使用的“Capwap”程序［4］。

Case 法和实测曲线拟合法在国内工程界应用较为广泛，该方法是通过在桩上部距离桩顶1 米左右距离范围内在桩身两侧对称安装力传感器和加速度计，适时测得该处运动速度的时程曲线和桩身横截面的应力变化，对测试结果采用相应的数理模型和计算方法进行处理分析。在实际应用中发现，检测中不同类型的传感器、传感器在桩身的粘接方法以及反射波激振锤的选择使用等都可以对测试结果和结果的可靠度产生一定的影响。另外参数设置中分析手段和采样间隔，都会对测试质量的高低产生较为重要的影响，导致对成桩后桩体质量的合格性判定造成一定的影响。

1.2 传感器与安装类型

传感器对于反射波法有着极其重要的作用，安装传感器要求位于激振点附近，能接收到很强的激振信号并且不畸变的接收下来。传感器的选择和使用要求能够具有足够宽的量程范围和动态范围，同时传感器还必须具有充足的灵敏度，还需要有良好的阻尼特性。

目前在工程界，经常采用的安装传感器有很多，例如:黄油粘结性传感器、橡皮粘结性传感器、石膏粘结性传感器以及手扶式传感器等。传感器作用的发挥除了自身性能特点外，与安装方法有很重要的关系，其好坏主要在于采集信号会产生不同的频带范围，实测波形也会有不同的结果;安装不牢，会给波形分析带来较大的困难甚至错误判断等等。

1.3 振源频率的选择

经过多次实验，低频振源可在其过程中消除不合理振荡，衰减较为缓慢，且波速也较低，具有较强的穿透力，对于检测灌注桩深部缺陷和大长桩成桩质量效果较好;而高频振源在土体等传播媒介的系统阻尼作用下，很快发生衰减，导致穿透力弱，因此在判定浅部缺陷有一定的优势，但对于滤波要求较高。在实际工程实践中，对不同桩体而言不同的振频锤所产生效果也是不一样的，具有不同的优缺点，因此结合理论采用最合适的振源，才能取得最佳测试效果。

对于激振，只有足够能量才能使桩直接产生信号反映。如果激振的能量过大，容易使桩周土阻力被激发，产生土阻力反射波。实践发现，对大直径及长桩用低频激振锤，短桩宜用小锤激振。激振技术是反射波法完整性检测的重要环节。提高激振脉冲波的频率，可提高分辨率，但容易衰减的高频波对长桩不易获得桩底反射。故有时用低频脉冲波(如大锤敲击)获取桩身深部缺陷或桩底反射，再用高频脉冲波(如小锤敲击)检测桩身浅部缺陷。

1.4 参数设置与判断

按采样定律，2fmax·N=fs(N 为分析长度)，采样频率fs(即1/Δt)相对信号频率的上限值fmax 应高，因此就时域而言，Δt 越小，采样频率越高，越能提高时域信号精度，但此结果会使信号频率相应降低，分辨率随之降低。反之增加采样长度，就会降低采样频率，其结果就是可以相应减少信号损失，提高频率精度，但同时也会导致频率混叠情况增加，从而会降低分析精度。

因此，应正确选用采样间隔，在实际工程应用中以确保不同工程桩的测试精度。同时为较准确地判断灌注桩的深部缺陷和浅部缺陷，对不同桩而言其采样时间的选择应是不一样的，即便对于同一桩，在实践中也应采用不同的Δt 来对各部位进行相应的判断。

另外，由于振源使用不同，传感器性能不同及所设定的采样时间不一样等原因，会产生造成一定假频信号的侵入，因而在测试分析过程中应使用合理的低通滤波，来有效防止高频干扰信号被采样后当作有用信息来错误采用。通常对以桩底反射为直接目的或大于20m 的长桩，滤波参数适当取低(小于或等于800Hz)，而对以长桩中的浅部缺陷为直接目的或小于20m 的短桩，滤波参数适当取高(大于或等于2400Hz)。

2 实际工程检测实例

下面一组是实际工程中的检测波形。某广场住宅楼，地层地貌为粘土、细砂土、强风化砂质岩及中风化砂质岩，地下水较为丰富。该工程基础设计为人工挖孔桩。由于人工挖孔桩施工时，流砂流水较为严重，施工难度较大。现场部分桩基施工完毕后采用低应变反射波法检测和钻芯取样对比检测。

(1)完整性桩体

如图1 所示，20#工程桩的桩身长为6.30m，通过反射波法测得的实测曲线波形规则、波列清晰，且其桩底波纹明显可辨，桩底反射波初至与入射波初至同相位，桩底纵波波速为3716m/s，反射时间为3.39ms。

在施工现场对桩体进行钻心法检查，所取芯样砼芯呈柱状，断口吻合，胶结好、骨料分布均匀，且连续完整，表面光滑，查其桩底无沉渣现象，底部与持力层界面清晰。通过抗压实验，砼抗压强度在34.9～48.9 之间，检查结果此桩为完整桩桩体。因此，钻芯检测结果与反射波检测结果一致。

图1 完整性桩测示意图

(2)离析性桩体

如图2 所示，27#现场所测桩体，桩身长6.70m，反射波所得实测曲线与完整性桩体并不相同，反射时间为1.41ms，反射波与入射波同相位，在桩身某一位置波形发生非常明显的反射。按桩底反射到达时间为4.53ms，可得到该桩实测缺陷位置在距离桩顶2.1m 位置处。而该桩实测波速与本工程完整桩平均波速3700m/s 相比，已降低了700m/s 左右，故认为该桩身存在严重离析。

通过对施工现场的桩体进行钻芯取样，得到上部0～2.30m 段砼芯样，其呈柱状及短柱状，连续完整，断口吻合，表面光滑，骨料分布较为均匀。而所取芯样在中部2.40～5.80m 段砼则表现为较松散，胶结较差或无胶结现象。对所取芯样的中部较完整柱状体进行抗压实验，最大砼抗压强度为14.1MPa。钻芯结果与反射波检测法基本吻合。

图2 离析桩桩测示意图

(3)断裂桩

如图3，某集资楼基础钻孔灌注桩，用低应变反射波抽检1#桩时，波形曲线无桩底反射，并且有强烈的多次反射，第一次桩间反射时间为2.30ms，按本工程完整桩平均波速3500m/s 计算，桩身在4.0m 左右为断裂位置。根据施工记录，该桩在施工过程中灌注设备出现故障，停留一段时间后再续灌，由于出现故障后未及时处理，造成断桩。经现场开挖至4.0m 处，桩身夹有较厚泥浆，混凝土上、下段不能连接。开挖结果与低应变反射波法检测结果完全一致。

图3 断裂桩桩测示意图

3 结束语

对于混凝土灌注桩的桩身缺陷性质以及缺陷所在位置的判别，与很多因素都有密不可分的关系，例如成桩工艺，桩身砼养护龄期，桩长、桩径、桩周土等，都会影响波形反射计算与确定，但就测试本身来说，要想获得较准确的分析结果，除了有一套完好仪器设备以外，现场测试人员素质、测试技术也是至关重要的。通过长期工程实践发现，反射波法有其无破损、轻便、高效等特点，在工程界具有很高的使用价值和应用范围。但同时也可以看到，目前除了横截面的缺陷易于判别外，对纵向破裂问题尚无法判断，待今后大家共同探讨研究，使基桩质量检测更加完善。

［1］中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范［S］.北京:中国建筑工程出版社，2003.

［2］颜学俊.反射波法基桩完整性检测技术［J］.科技创业月刊，2006(2).

［3］赖峰，王强，刘仰韶，等.反射波法检测基桩完整性的探讨［J］.广东交通职业技术学院学报，2005(4).

［4］刘金砺.桩基设计施工与检测［M］.北京:中国建材工业出版社，2001.

［5］陈凡，徐天平，陈久照，等.基桩质量检测技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.