路基改良基桩低应变完整性分析及波形规律*

郭小刚， 傅文桥， 董 辉

(湘潭大学 土木工程与力学学院,湖南 湘潭 411105)

路基改良基桩低应变完整性分析及波形规律*

郭小刚*， 傅文桥， 董 辉

(湘潭大学 土木工程与力学学院,湖南 湘潭 411105)

低应变反射波法作为基桩检测的一种有效手段，广泛用来评价桩身完整性.本文主要从低应变法的理论出发，结合工程实践分析总结了基桩缺陷的波形曲线表现规律，包括一维弹性杆件的应力波波动理论、低应变反射波法存在的一些问题和局限及实测海南西环铁路改良基桩的检测波形分析和桩身缺陷的波形规律总结等.为了有效地利用分析总结的波形规律并考虑桩-土体系的影响，进而提出对于相同类型桩的缺陷在不同地质环境中波形曲线不同表现的规律，及建立充实波形缺陷判断数据库的展望.完善的数据库可用于辅助工程基桩检测实践和专业研究.

低应变反射波法；一维波动理论；基桩检测；波形缺陷判断数据库

鉴于目前桩基工程的隐蔽性和重要性，为保证工程质量和安全，必须及时对桩基做检验和测试.传统方法中的静载试验是一种评价基桩质量的主要方法，该方法比较成熟，但费时、费工且抽检率低，无法对基桩质量进行较全面评价.经长期探索，由荷兰应用科学研究中心国家委员会和法国建筑与民用工程试验中心于20世纪70年代研究出来的“低应变反射波法”，经不断发展，成为一种快捷和经济的动力测试法[1,2]，可作为一种普查手段，对基桩进行大量抽检.现国内广泛采用低应变反射波法[3,4]进行桩身完整性检测[5].但是，许多理论还处于多方面探讨阶段，在工程实践中发现的一些问题没有得到统一认识和解决，应引起注意和重视.其中比较重要的就是对低应变检测后数据的处理分析.本文主要期望通过对工程实测波形曲线的归纳分析来总结发现桩身缺陷的波形表现规律，辅助实践中桩身缺陷判定.

1 低应变反射波法检测的理论

低应变反射波法[6,7]又称锤击法，是以一维弹性杆的应力波波动理论为理论基础[8～12]，检测时在实心桩顶中心或空心管桩桩壁1/2厚处用激振设备进行竖向激振，给桩一定的冲击能量，产生一纵向弹性波.由于桩长远大于桩径，故横向波可忽略不计,而短桩应注意横波干扰的影响.该纵向弹性波沿桩身纵向向下传递，当遇到桩身有明显波阻抗改变的界面，如桩身离析、夹泥、缩颈、扩径、断桩、桩底和桩周土层较大差异变化等，将在相应界面产生反射波，部分应力波继续透射，向下传播.通过安装在桩顶的传感器接收反射信号.再经滤波、放大、数据处理等工作，根据波形曲线图并考虑桩身几何效应和桩周土作用来估计波速，由所测波形图并结合地质资料和现场检测情况来分析桩身完整性、评价缺陷类型和位置及严重程度，也可核对桩长.

以一维波动理论为基础的低应变反射波法[13]，据界面处连续性条件，对一维波动方程的波动解式和平衡方程整理后有：

(1)

由桩身缺陷反射信号可计算缺陷所在位置，其计算如下：

C=2L/t，

(2)

L′=Ct′/2，

(3)

其中：L为桩长；t为桩底反射波双程旅行时间；L′为桩身缺陷位置；t′为缺陷处反射波双程旅行时间.

由于存在着复杂的桩-土体系[14,15]和理论假定与实际存在差异等问题，低应变反射波法有一定局限性.如桩周土体对检测波的影响问题，什么情况下适用于水泥搅拌桩的问题.这就需要积累更多的工程实践经验和更深的理论研究来完善该方法的应用，使其检测结果更具可信度.

2 桩基低应变完整性分析及波形规律

2.1 一般情况下的不同缺陷桩检测波形曲线分析[16]及波形规律

为了获得理想的检测波形和正确进行波形分析，要做好检测前准备工作，如辅助资料的完整收集[17]、检测方案的择优制定和仪器设备的合理选用[18]等；现场检测相关工作，如桩头的完善处理、传感器的正确安装和检测参数的适当选取[19]等.对于检测之后的波形分析，一般宜结合时域分析与频域分析[20]一起进行，才能有效评价桩身完整性.

结合海南西环铁路路基改良基桩的低应变完整性检测，部分检测现场图片如图1所示，经对检测波形的细致分析对比，总结出桩身缺陷在实测波形曲线上表现出的规律性.对于桩每种单一缺陷，选出一个最具代表性的实测曲线来体现该缺陷在波形上的一般表现规律.

2.1.1 完整桩的波形分析及波形规律 完整桩的波形曲线规则，入射波和桩底反射波较明显，无桩间子波反射，波速正常.26-3号CFG桩实测波形如图2所示，可见一明显的与入射波同向的反射波，假定该反射波为桩底反射波，满足式(1)和由式(2)推出的波速是合理的，则假定成立，判定为完整桩.后经单桩静载荷试验，验证其承载力满足设计要求.

2.1.2 缩径类缺陷桩的波形分析及波形规律 缩径桩一般波形清晰、完整、直观，第一次反射时的反射波与初始入射波同相，第二次反射时反相，可见桩底反射，波速正常.1-9号CFG桩实测波形如图3所示，桩间某处明显先出现一同向反射波，紧接着是一反向反射波，由式(1)有α>0，结合实际情况判定为缩径缺陷，再由式(2)及(3)推出缺陷位置在桩身6.6 m处.后经单桩静载试验，其承载力较设计降低了47%.挖去桩周土后发现桩身6.5～6.8 m有缩径.

2.1.3 扩径类缺陷桩的波形分析及波形规律 扩径桩一般可见明显桩底反射和桩间反射，缺陷处先出现一反相反射波，紧接着是一同相反射波，反射波会随桩扩径形态的不同而表现差异，波速正常.9-14号CFG桩桩长6 m，桩径500 mm，采用C15混凝土配合比，龄期28 d以上，其实测波形如图4所示，桩间某处明显先出现一反相反射波，紧接着是一同相反射波，由式(1)有α<0，结合实际情况判定为扩径缺陷，再由式(2)及(3)推出缺陷位置在桩身1 m处.后经挖去桩周土后发现桩身1 m处存在扩径.

2.1.4 离析类缺陷桩的波形分析及波形规律 离析桩有桩底反射和桩间同相位子波反射，但是比缩径桩弱.离析部位桩的混凝土密实度较差，离析程度不均匀，严重时会导致入射波发生复杂的反射、透射和散射等，波形很乱，甚至无明显的桩底反射和桩间同相位子波反射，波速偏低.25-11号CFG桩桩长8.7 m，桩径500 mm，龄期8 d，其实测波形曲线如图5所示，桩上部存在离析且作整体低频振动，形成一个受低频调制的合成波，且调制的合成波满足式(1)，有α>0，判定桩上部为离析缺陷.后经钻孔取样确认桩上部1.5 m范围内密实度差，存在离析.

2.1.5 断桩类缺陷桩的波形分析及波形规律 断桩在桩身断裂截面发生全反射，波形规则，可见多次同相反射波，时间上成倍数关系，幅值逐渐减小，桩底反射很难见到.某CFG桩桩长6 m，桩径500 mm，C15混凝土配合比，龄期28 d以上，其实测波形曲线如图6所示，在t1=0.50 ms，t2=1.00 ms，t3=1.50 ms，t4=2.00 ms可见明显的同相反射波，且时间成倍增关系，由式(1)有α>0，判定为断桩缺陷.后经挖去桩周土发现桩身0.9 m处有断裂面.

2.1.6 胶结不良类缺陷桩的波形分析及波形规律 胶结不良桩由于全桩胶结程度均匀，波形规则，无明显的桩底反射和桩间同相位子波反射，波速偏低.如水泥搅拌桩，有检测人员对水泥搅拌桩进行低应变反射波法检测存在疑问，但笔者认为只要考虑得当，低应变检测是有可行性的，并不失为评价桩身完整性的适当辅助途径.18-1号水泥搅拌桩桩长4 m，桩径500 mm，检测的波形图如图7所示，有明显同向反射波，初始假定此处为桩底反射波，由式(2)推出波速偏低，结合实际判定为桩胶结不良.后经钻孔取芯发现桩胶结较差，取样不理想，可能是水泥参量较低的缘故.

实际中的桩可能同时存在多种缺陷类型，如上扩下缩、上扩下断和桩径渐变等.这就需要更精致的分析，其波形曲线规律性有同于单一类缺陷的表现，也有异于单一类缺陷的复杂多样形式.

2.2 建立充实波形缺陷判断数据库

目前低应变完整性检测虽在国内大范围地使用推广，并获得了大量的不同类型桩在不同地质环境中的实测波形图，但还没有学者对此类资源进行较为完整的整合，总结其规律性.

据海南西环铁路路基改良基桩的实测波形，发现即使对于相同类型的桩，由于成桩地质环境的不同，在低应变测试中，其波形曲线表现规律也并不一致.若不经综合分析考虑，仅依波形曲线的一般表现规律，很可能造成桩身缺陷的误判、错判.

当成桩地质环境不同时，则实际中桩周及桩端土阻力不同.均质土层桩侧土阻力影响为指数衰减形式，主要体现在测试波形的整体形状和走势上.但对于桩侧土阻力大的相同类型桩，其时域曲线表现明显下凹，波速较低.对于桩周土阻抗有明显变化的相同类型桩，如在软硬土层交界处或有软弱土层夹层等，即使是完整桩，波形曲线也会表现类似缺陷桩的特性.桩端土阻抗有较大变化时，其桩底反射波清晰.同样，相同类型的缺陷桩在不同地质环境下有不同的波形曲线表现.

为此，可依据大量实测波形，统计出桩的缺陷在常见地质和特殊地质等不同地质环境中的表现规律，以充实波形缺陷判断的数据库(database of waveform used to judging defect，简称WJDD)，并供他人参考，对于桩复杂缺陷判定有重大意义，可提高低应变检测的可信赖性.有可能发现在不同地质下缺陷出现较为频繁的桩身位置，分析其原因，有助于施工中避免类似问题的出现.

3 结 语

低应变反射波法是一种桩基完整性检测的有效方法，桩身完整性判断的有力辅助手段.本文主要依据海南西环铁路路基改良基桩的工程实践实测波形，得到如下成果：

(1) 通过一维弹性杆件应力波动理论对检测波形进行波形分析.某种桩身缺陷选出一例且其波形规律具有代表性的实测波形进行简要分析，归纳总结了桩身单一类缺陷和复杂缺陷的波形曲线表现规律.

(2) 为充分利用波形曲线表现规律，进一步提出了建立充实波形缺陷判断数据库.波形缺陷判断数据库扼要包含了每种情况下典型的实测波形、成桩地质情况、施工情况、材料情况及相应特殊规律总结，相关专业人员可由此得到高价值的辅助信息，更为快捷准确地进行桩身缺陷判断.

(3) 可根据波形缺陷判断数据库发现频繁产生桩身缺陷的桩身位置或地质情况，分析其产生原因，回馈给设计和施工，寻求解决方法，避免今后此类问题的继续产生.

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责任编辑：罗 联

Low Strain Method Used to Testing in Integrity of Pile Improving Subgrade and Laws of Waveform

GUOXiao-gang*,FUWen-qiao,DONGHui

(College of Civil Engineering and Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105 China)

As a kind of effective means of testing pile, low strain reflected wave method is widely used to evaluating integrity of pile. This paper proceed from theory of low strain method, analyzing and summarizing laws of waveform of pile with defects based on engineering practice. Main contents including one-dimensional wave theory, some existed problems and limitations, analysis of tested waveform at western fast railway project in Hainan and summarizing waveform’s law of pile with defects etc. In order to availably utilize laws of waveform which have been summarized and consider the system of pile-soil at the same time,the paper proposes outlook about laws of waveform curve corresponding to the same type of pile with defect in diffrent geological environment, enriches database of waveform used to judging defects. Completed database can be used for testing project and relevant studies.

low strain reflected wave testing;one-dimensional wave theory;pile testing;database of waveform used to judging defect

2014-12-10

郭小刚(1960— ),男，湖南 湘潭人，教授.E-mail:teenhero@163.com

TU473.1

A

1000-5900(2015)01-0014-04