低应变反射波法在灌注桩浅部异常检测中的应用

苗　伟

(中铁咨询集团北京工程检测有限公司，北京　100055)



低应变反射波法在灌注桩浅部异常检测中的应用

苗伟

(中铁咨询集团北京工程检测有限公司，北京100055)

Low strain reflected Wave Method in the Application of filling Pile Shallow anomaly Detection

MIAO Wei

摘要阐述低应变反射波法的工作原理，并通过在混凝土灌注桩桩身完整性检测中的应用实践，总结桩身浅部常见缺陷类型及检测波形，举例说明低应变反射波法在桩身浅部缺陷检测中的成功应用。

关键词低应变反射波法桩身完整性缺陷

铁路桥梁采用的基础类型主要是桩基础，由于基桩的施工具有隐蔽性，施工质量受很多不确定因素的影响，因此，基桩质量的检测与评价就显得尤为重要。基桩检测的目的是查明桩身结构的完整性，判断桩身缺陷及其位置，以便对影响桩承载力和寿命的桩身缺陷进行必要的补救，保证建筑物的质量和安全使用。目前，桩身完整性检测方法主要有低应变反射波法、声波透射法、高应变动力试桩法和钻芯法等。其中，低应变反射波法在工程实践中应用最为普遍。

1原理

低应变反射波法以弹性纵波在一维杆中的传播理论为基本原理，将桩等价为一细长的杆，桩长为L，横截面积为A，弹性模量为E，质量密度为ρ，当桩顶受到一纵向锤击力时，由平衡关系及虎克定律可得桩的纵向运动方程

UI+UR=UT

据波阵面上动量守恒条件，有

ρ1C1A1(UI-UR)=ρ2C2A2UT

其中U，σ分别表示应力波波速和应力，下标I、R、T分别表示入射波，反射波和透射波，由上述可得

UR=-FUI

UT=TUI

n=ρ1C1A1/ρ2C2A2

式中，ρ，C，A为广义波阻抗；F为反射系数；T为透射系数。

1.1不同类型桩的反射特征

(1)完整桩

即ρ1C1A1=ρ2C2A2，n=1，F=0，桩身中不会产生反射信号，检测波形中只有桩底反射信号。若为摩擦桩，由于桩身材料的ρ1C1远大于桩底土的ρ2C2，n> 1，F<0，UR>0，反射波与入射波同相位；若为嵌岩桩，由于桩身材料的ρ1C1A1远小于桩底基岩的ρ2C2A2，n<1，F> 0，UR<0，反射波与入射波反相位。

(2)扩径桩

即A2>A1，则n<1，F>0，UR<0，反射波与入射波反相位。

(3)缩径桩

即A1>A2，则n>1，F<0，UR>0，反射波与入射波同相位。

(4)离析桩

即ρ2C2<ρ1C1，n> 1，F<0，UR<0，反射波与入射波同相位，但离析桩中整桩平均波速低。

(5)断桩

应力波在断桩处被阻隔，波在断裂处产生反射，在断桩中一般得不到整桩的桩低反射信号，断桩处的信号与入射波同相位。当已知波速的情况下，根据实测波形反射波的到时，可计算桩长或缺陷位置，其数学表达式为L=C×ΔT/2。

1.2现场检测与信号处理

检测前对桩头进行必要的处理，首先挖至桩顶设计高程，凿去浮浆，平整桩头。对检测仪器设备进行全面检查，确认仪器设备的性能状态良好，采用力棒给桩头施加竖向激振力，产生应力波，通过安装在桩头上的传感器接收来自桩身的反射信号，通过动测仪对信号进行处理存储。

通过动测仪(现场)或室内计算机进行信号放大、滤波及分析处理后，得到速度时程曲线。据此，即可根据波形特征进行分析，计算平均波速，判断桩身完整性及混凝土质量。根据被测桩波形、波速，结合工程地质及施工记录，综合判断桩身的完整程度类别。

现场检测如图1、图2所示。

图1　检测点布置示意

图2　低应变检测装置布置示意

2实例分析

2.1桩身无异常

当桩身完整无异常时，仅存在唯一的反射界面，即桩底反射面，在条件较好的情况下，可以得到明显的桩底反射波，桩身无明显反射波。如图3所示，该桩设计为摩擦桩，桩身完整，桩底反射波与入射波同相位。

图3　桩身完整

2.2扩径

受地质条件和施工工艺的影响，桩身容易产生扩径现象，扩径位置不同，测试曲线亦不同。

(1)桩头扩径

桩头扩径，即俗称的“大头桩”，扩径部分以下为正常桩径。大头桩会造成桩身浅部“相对缩径”，有明显反射波，且反射波与入射波同相位。如图4、图5所示，该桩设计桩径1.0 m，桩顶高程处桩头直径1.5 m，桩顶高程以下1.9 m左右桩径1.0 m，检测信号在1.9 m处有明显反射波，反射波与入射波同相位。

图4　1.9 m左右桩身缩径

图5　1.9 m左右桩身缩径(照片)

(2)桩身扩径

桩身扩径，测试曲线会出现先扩后缩反射波，如图6、图7所示，该桩设计桩径1.0 m，桩顶高程以下1.5～3.2 m桩身扩径，3.2 m以下桩身恢复设计桩径。

图6　1.5～3.2 m桩身扩径

图7　1.5～3.2 m桩身扩径(照片)

2.3缩径

缩径是混凝土灌注桩常见的缺陷类型，桩身有明显反射波，且反射波与入射波同相位。缩径严重会出现周期性反射波，无桩底反射波。如图8，图9所示，该桩在桩顶高程以下3.1 m左右桩身缩径。

图8　3.1 m左右桩身缩径

图9　3.1 m左右桩身缩径(照片)

2.4离析

混凝土离析也是混凝土灌注桩常见的缺陷类型，桩身有明显反射波，且反射波与入射波同相位。如图10、图11所示，该桩在桩顶高程以下3.1 m左右混凝土离析。

图10　3.1 m左右桩身离析

图11　3.1 m左右桩身离析(照片)

2.5裂缝

在桩身裂缝处，会形成与入射波同相位的反射波。当桩身断裂时，缺陷反射波在桩顶面与缺陷面之间来回反射，反射波呈周期性，反射波能量有规律递减。如图12、图13所示，该桩在桩顶高程以下3.4 m左右出现环向裂缝。

图12　3.4 m左右桩身断裂

图13　3.4 m左右桩身断裂(照片)

3注意事项

(1)资料收集：检测过程中应注意资料的收集，包括地质勘察报告、施工工艺、成孔记录、灌注记录等，有助于测试数据的分析与判断。

(2)桩头处理：现场测试时应保证桩头无浮浆，尽量保持桩头平整，桩头表面无松动现象，以免造成误判。

(3)现场测试：现场测试时应选择合适的激振设备和粘结剂，以激励出合适的脉冲宽度、频率、能量等。只有通过敲击产生合适的振源，才有可能得到正确的波形曲线。

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中图分类号：TU473.1+6

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2016)01-0071-03

作者简介：苗伟(1981—)，男，2005年毕业于石家庄经济学院勘查技术与工程专业，工程师。

收稿日期：2015-12-25