低应变法在某山区铁路基桩检测中的应用分析

秦成超 （中国铁道科学研究院，北京 100081）

0 前 言

随着我国高速铁路、客运专线的兴建，桥梁作为其土建工程的重要组成部分而被广泛使用。桩基作为桥梁的主要承重部位，又属于隐蔽工程，其质量好坏就变得尤为重要。低应变反射波法因其操作简便、速度快、可靠度高的明显优势，经过多年的研究和应用，在工程界得到了广泛认可，对保障桩基工程质量起到了积极作用。

山区铁路为满足高速铁路快速、舒适的要求，受地形起伏限制，桥梁被更多的应用于工程建设。本文结合某山区新建铁路基桩检测的大量工程实例，对基桩检测过程中的常见缺陷进行分析和探讨。

1 低应变反射波法检测原理

低应变反射波法是用力棒或手锤敲击桩头产生弹性纵波，弹性波沿桩身向下传播，遇到波阻抗界面时产生反射和透射。透射波继续向下传播，反射波到达桩顶时，引起桩顶质点振动，通过检测桩顶质点振动信号，来分析判定桩身质量。图1为低应变反射波法现场检测示意图。

2.1 桩身缺陷判定

桩身波阻抗变化会在时域上上产生反射信号，当反射信号与入射信号相位相同时，表明桩身波阻抗变小，缺陷性质为断裂、缩颈、离析或预制桩接桩不良等；当反射信号与入射信号相位相反时，表明桩身波阻抗变大，为扩径或嵌岩桩的入岩位置。桩身缺陷的位置可按下式计算。

式中：h 为桩身缺陷至桩顶的位置；cm为完整桩波速平均值；△th为时域波形图中直达波与缺陷反射波间的时差；△f'为频域图上缺陷的频差。

缺陷桩典型时域曲线如图2所示，其中横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为振动幅值，单位为mm/s。H 为桩长，cm为应力波波速。

2 某山区铁路工程实例分析

2.1 实例一，浅部断桩对波形信号的影响

某特大桥24-10#桩，设计桩长26.5m，设计桩径1.0m，混凝土强度等级C30，挖孔灌注桩。低应变法检测结果表明，该桩在约2m处有一明显同向反射，且反射信号幅值更大，根据该波形曲线特征，初步判定为浅部缺陷。实测低应变时域曲线如图3。

考虑到此种波形或为破桩时使用方法不当，对桩头造成严重扰动，引起桩身浅部混凝土开裂所致。慎重起见，对该桩进行了复测，波形与初测一致，且并无空鼓声出现，排除了破桩头引起的浅部裂缝因素。对其采取开挖验证，验证结果表明，该桩在2m左右断桩，因缺陷位置较浅，对其做了接桩处理。

2.2 实例二，大护筒对波形信号的影响

某特大桥59-4#桩，设计桩长19.0m，设计桩径1.0m，混凝土强度等级C30，挖孔灌注桩。其实测低应变时域曲线如图4。

该波形曲线表现为首波波谷后伴有一明显与首波同向反射。由波形曲线和应力波传播特点，结合现场桩头普遍较大的情况，初步判断该同向反射的出现，是因为上部桩径大于设计桩径，而下部仍为设计桩径，造成桩身扩到缩的变化，即现场常说的“大桩头”，从而出现了波阻抗降低（缩而不扩）的波形。此种桩型的出现，多为钻孔过程中防止塌孔发生，埋设大护筒所致。经了解施工概况及现场开挖，发现打桩时护筒埋设至该桩桩头标高下1.5m左右，护筒内径比设计桩径大50cm。

2.3 实例三，桩周地质随深度变化对波形的影响

某特大桥38号墩12根桩，设计桩长22.5m，设计桩径1.25m，混凝土强度等级C30，摩擦桩。其38-4#桩实测低应变时域曲线如图5。

在对该墩台12根桩的分析过程中，发现在4.5m左右有一共性的反射信号，均表现为与首波反向。经查询该墩台的施工钻孔桩地质柱状图，发现在4.5m处桩周土由新黄土进入细圆砾土。其至上而下的地质分布为：0m～4.5m 为新黄土，4.5m～14.2m 为 细 圆 砾 土，14.2m～15.7m 为 粉 质 粘 土，15.7m～22.95m为凝灰质砂岩。

反射波法假定杆件为一均质一维弹性杆件，且不考虑桩周地质变化对应力波沿桩身传播的影响。而实际检测中，桩周地质变化对低应变反射信号的影响确实存在。该桩设计为摩擦桩，桩周土与桩身结合紧密，敲击产生的应力波除沿桩身向下传播外，还会沿桩周土向下传播，当桩周地质发生变化、且波阻抗差异明显时，将产生应力波反射。因细圆砾土波阻抗大于新黄土，在弹性波向下传播的过程中，发生了反射，并表现在波形曲线上。因反射信号所在位置较浅，为慎重起见，对该桩进行了开挖验证，验证表明桩身外观良好，4.5m处无扩径现象，反射信号确为桩周土发生变化导致。

2.4 实例四，桩身扩径对波形的影响

某特大桥8-2#桩，设计桩长19.0m，设计桩径1.0m，混凝土强度等级C30，挖孔灌注桩。其实测低应变时域曲线如图6和图7。

对图6中高频低应变曲线分析可知，该桩在约2m处出现与首波反向反射，2.7m处出现同向反射，且有明显的二次反射。图7表明波形低频振荡，衰减较快，且该桩存在灌注超方现象。综合诸因，初步判定为扩径后缩回。为防止造成误判，对该桩进行了开挖验证，开挖照片见图8。

图8表明该桩在1.5m～2.0m处缩颈露筋，2.0m～2.7m逐渐扩径并缩回。因缺陷位置较浅，施工方在约3m处截断，对该桩做了接桩处理。

钻孔灌注桩露筋病害是成桩质量问题中的一种严重缺陷，它极大地影响着桩基的使用安全及寿命，必须进行处理。避免露筋病害的产生，应从施工过程中加强管理，对每道工序、每个细节有针对性地制定行之有效的具体技术措施，预防为主，防治结合。

而出现扩径现象，多因施工地层影响或施工工艺不良。在地下水呈运动状态、土质松散地层处或钻锥摆动过大时，易于出现扩孔。桩身扩径一般认定为有利缺陷，但会消耗大量混凝土，造成混凝土的浪费。

3 讨 论

①当基桩浅部存在缺陷时，由应力波传播特点可知，波形曲线会出现不同程度的叠加。若桩身下部仍有缺陷，叠加的波形就有可能影响下部缺陷波形的判别，此时切勿麻痹大意，建议在接桩前对下部桩身进行检测，在下部桩身完整的情况下进行接桩处理。接桩后需进行复测，以保证桩身质量。

②由于低应变检测存在检测盲区，当缺陷位置较浅时，波形曲线往往会出现低频振荡。因桩身缩颈、夹泥、离析、断裂等均为波阻抗降低，其波形反映大体一致，此时靠低应变检测已无法确定缺陷类型，可根据实际情况，辅以开挖验证或钻芯取样来确定缺陷类型及位置。

③塌孔、大护筒埋设、破桩工艺不当等因素，可能导致低应变检测过程中出现影响波形曲线判定的反射信号。为了保证检测结果的准确性，在检测工作开始之前，要收集被检测桩基的工程勘察资料、设计图纸、施工工艺等，并询问施工过程中是否有塌孔、混凝土灌注是否超方等特殊状况发生。

④桩周地质变化对波形曲线的影响一般较小，但不可忽视。桩周土摩阻力可引起应力波能量衰减，使检测时有效深度变短，可能出现检测不到桩底反射的情况。在波形分析时，桩周土摩阻力会影响缺陷反射波的幅值，土阻力反射波与桩身缺陷反射波易混淆，容易造成误判，需结合地质情况仔细分析。

4 结 语

低应变反射波法测试结果的分析判断，要依据波形的变化特征，结合桩的类型、施工情况及地质资料等进行综合分析，必要时采取其他检测手段进行对比验证，对被检测基桩的桩身完整性做出准确可靠的判断，避免错判、误判、漏判造成工程质量事故，遗留安全隐患。

[1]JGJ106-2014,建筑基桩检测技术规范[S].

[2]TB 10218-2008,铁路工程基桩检测技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2008.

[3]杨怀玉,孙树礼,任春山.铁路岩土工程检测技术[M].北京:中国铁道出版社,2010.

[4]胡在良,张佰战.时域频域法联合判定桩身完整性的应用研究[J].铁道建筑,2008(1).

[5]王春庆,陈辉.低应变反射波法检测桩基浅部缺陷的效果分析[J].工程地球物理学报,2013(2).

[6]董成全,孟军涛.基桩质量检测误诊案例分析[J].安徽建筑,2015(1).