低应变反射波在桩基检测中的应用

陈昌胜

【摘 要】作为检测工程质量的重要手段，低应变反射波法已经被纳入国家工程检测规范，它是一种检测桩基缺陷的重要方法，具有效率高，检测结果精确，成本低等优点，在施工过程中发挥着越来越重要的作用。本文阐明了低应变反射波法的定义及基本原理，在具体工程实施中的有效运用和运用过程中的注意事项。

【关键词】低应变反射波法；桩基检测；重要手段

桥梁、楼宇、水坝等大型建筑都需要有坚固的地基去承受巨大的压力，桩基的检测自然而然成了衡量建筑牢固性能的必要条件。针对桩基容易出现的扩径、缩颈、离析等缺陷，低应变反射波法能够有效检测出此类问题。1992年，我国成立了首家专门从事高低应变桩基动测仪研制及方法研究的专业化公司-武汉岩海工程技术开发公司，该公司开发的RS系列桩检测设备及CCWAPC波动方程拟合法分析软件已达到国际同类产品的先进水平，经过不断的发展完善，其现场检测波形分析桩身完整性判断等各方面都比较成熟[1]。

一、定义及原理

（一）低应变反射波法的定义

低应变反射波法又称时域法，即在时间域上研究分析桩的振动曲线，通常是通过对桩的瞬态激振后，研究桩顶速度随时间的变化曲线，从而判断桩的质量[2]。

（二）低应变反射波法的基本原理

低应变测桩技术最早起源于应力波理论以一维弹性杆平面应力波的波动理论为基础。其中的反射波法的最主要功能是检测混凝土强度等级定性估计、桩身缺陷位置判断等桩身结构的完整性[3]。

桩基的混凝土材质的坚固强度比周围的地质强度要大的多，可以把桩身看做一个一维弹性杆，当桩身受到来自顶部的冲击力时，由于周围土质强度小，其端面上就会发生振动，冲击力产生的能量会以波的形式沿着桩身传播，一部分反射波向上传播到达桩顶，另一部分透射波向下传播到达桩底，反射波的幅度和相位是由桩身的波阻抗来决定的，桩顶的传感器接收到波信号并上传服务器，通过分析采集来的数据，我们可以知道桩身有无缺陷和缺陷程度，计算公式：

Z=ρCA

Z：桩身的波阻抗；ρ：混凝土的密度；C：波在桩身的传播速度；A：桩身的截面积。

由此我们可以看出，桩身的波阻抗和混凝土的密度、桩身的截面积有关。

假如我们通过仪器检测此桩身，发现存在一个变化界面，分别得出变化界面的顶部和底部的波阻抗，通过对两个波阻抗的比较，得出桩基缺陷类型。当波阻抗相等时，不存在缺陷。

我们还可以计算缺陷的位置△L，假设△t是传感器接收到反射波的时刻与重锤敲击桩身时刻的差值，那么我们可以用以下公式计算：

△L= △t × C /2

二、低应变反射波法在实例中的应用和注意事项

（一）实例应用

1.实例检测

我们通过一个例子来说明：检测一座32层高层楼宇的一个桩基，首先根据经验分析此桩基可能存在离析。然后用重锤敲击桩身，测得数值显示，在桩身1.23m处有同相反射波，在2.46m再次出现同相反射波。由此初步判断此桩基存在离析缺陷。最后应该人工挖开桩基验证检测结果的正确性，并进行修复。

2.常见缺陷桩

施工中工艺和材料因素都有可能影响桩基的性能，改变桩基的承载能力。桩基的缺陷主要表现为扩径、缩径、离析、断裂、空洞和夹泥，也不排除有的缺陷是其中两种或者多种的组合。

3.数据分析

分析采用低应变反应法测得的数据通常采用三种方法：滤波技术、曲线放大法、缺陷处信号重复反射分析。滤波技术是我们在施工中用到的最常见的方法，它对于较小的、不严重的缺陷桩分析准确，对于大缺陷桩不适用。对于曲线放大，有两种方法可以放大，一是线性放大，它主要针对浅层小信号的放大，可以使信号量化；二是指数放大，它有时会使曲线畸变，但是它能反应缺陷程度。如果缺陷位置超过一半桩长，则对此应该仔细区分，否则会误判。

（二）注意事项

1.桩头的处理

检测有效的前提是桩头必须处理的干净、平整，没有凸起和凹陷。以往的经验表明，桩头与混凝土之间接触不紧密，原来沿着桩身传递的应力波不会沿着原来的轨道继续传递，应力波传播方向改变就会影响反射波的方向，从而造成得到的波形不正确，造成结果误判。

2.激振锤的选择和锤击位置

（1）激振锤的选择

激振能量的大小和力锤的外形、重量、锤击力度等多个因素有关。当锤击作用时间短时，脉冲宽度窄，所含的高频成分多，检测短桩和浅层缺陷比较可靠。当锤击时间长时，脉冲宽度宽，所含低频成分多，检测长桩和深层缺陷比较可靠。所以，针对不同的实际情况，应该选择不同的激振锤。

当用不同的力锤去敲击同一个桩基时，测得的数据是不一样的。当我们监测特别大的桩身时，假如选用小的激振锤，那产生的应力波就会很小，不足以使桩身感受到足够的冲击力，我们的传感器感受到的振荡很小或者根本检测不到波的传递，此时就会造成结果的不准确。

所以检测大型桩基时应该用重量大，产生波形比较宽的大铁球。当然，如果检测比较浅层的缺陷，我们可以选用频率高，重量小的小力锤，检测起来比较容易，检测的结果精确。

（2）锤击位置选择

理论上，锤击位置对于检测过程也是有影响的，因为锤击位置不同，也就改变了传感器感应到波形的强度，所得波形不一样。但是经过我们大量实验证明，锤击位置对波形的收集影响不大，但在实际检测中应尽量符合规范要求选在桩的中心位置。桩顶面应密实、平整、自由[3]。

3.传感器的选择和安装

传感器作为检测波形的重要部件，它的类型以及安装方法将直接影响检测结果。

（1）传感器的选择

相比于速度传感器，加速度传感器的低频特性好，对浅层缺陷的反应灵敏，容易检测出明显的无振荡曲线。所以，加速度传感器以其较高的灵敏度深受检测人员的喜爱，所以人们通常用加速度传感器进行低应变发射波检测桩基缺陷。

（2）传感器的安装

理论上，尽量选择重量较小的传感器，并且传感器安装位置距离桩面尽量近，这样传递性良好，可以采集到完整精确的波形。另外，传感器的安装位置也很重要，研究表明，传感器安装在1/2R-2/3R范围内，传感器工作良好，波形传递完整，缺陷位置能很好地反应出来，不在这个范围则桩底反射不明显，缺陷位置表达的不清晰。

小直径的桩身只选择一个测试点安装传感器即可，对于大的桩身或者有严重缺陷的桩身，必须选择多个测试点安装传感器，以便获得可靠信号，避免其它信号的干扰。

传感器的耦合剂通常根据具体情况而定。牙膏用来粘合比较轻的传感器，干净又环保；而价格较低的黄油到了夏天不宜用来耦合；粘性很强的口香糖也是可以用来粘合的。此外，多涂些粘合剂在传感器和安装面上，可以使安装更加牢固，检测结果更加精确。

结语：

综上所述，桩基的检测在工程检测中的重要性不言而喻，而低应变反射波法就是桩基检测的不二法宝。应用低变反射波法能够准确找出缺陷桩的缺陷类型和缺陷位置，在桩身缺陷检测中具有简单、方便、高效的特点，而且不会对桩身造成损坏，为保证工程质量做出了巨大的贡献。此外，运用此方法还要注意一些细节，提前把桩身面收拾干净，选好传感器和激振锤，做好准备不仅能使测量结果更加准确，还能节省检测的时间。

参考文献：

[1]高红伟，姚 勇，陈代果，童 庞，邓勇军. 低应变反射波法在桩基检测中的应用[J].西南科技大学学报，2013，3：41.

[2]黄晏辉，王诗东. 低应变反射波法在桩基检测中的应用[J].中国西部科技，2015，310：57.

[3]游海南.桩基检测中低应变反射波法的实践应用[J].江西建材，2014，8：97.

[4]高红伟，姚 勇，陈代果，童 庞，邓勇军. 低应变反射波法在桩基检测中的应用[J].西南科技大学学报，2013，3：42.