桩周土对低应变反射波法检测的影响

皮海康， 王齐仁， 蒋 恺

(湖南科技大学 a.资源环境与安全工程学院，b.土木工程学院， 湘潭 411201)

0 引言

桩基础是建筑工程中的重要承重部件，其质量直接影响到建筑物的安全，有时由于成桩工艺和工程地质条件较复杂，施工质量难以控制，成桩后必须进行严格的检测[1]。常用的检测方法有声波透射法、低应变反射波法、高应变法和抽芯法等，其中低应变反射波法因操作简单、快速、可靠性较高、费用较低等优点而被广泛采用。但该方法不仅受到检测方法不当(如桩头处理不当、测点位置不对、锤击位置过于靠近传感器、混凝土龄期不够等)[2-3]的影响，还受到桩周土物理力学性质的影响，导致采集曲线失真或出现假异常，常常造成错误判断[4-6]。笔者结合工程实例，着重分析桩周土对反射波曲线的影响，总结桩周土对低应变反射波法检测的影响规律。

1 低应变反射波法原理

低应变反射波法是基于冲击弹性波的检测方法，将桩身假定为一维弹性杆件(桩长直径)，即桩自身为一维的、连续的、均质的、线弹性体，在桩顶施加竖向锤击力，产生向下传播的压缩波，遇到桩身波阻抗变化的界面时，波的传播特性将发生改变，出现上行反射波和透射波，透射波在实际应用中不便测量，反射波可通过桩顶接收器接收，通过拾取和分析反射波信号的波形、振幅、频率等特征，来判定发生阻抗差异部位的缺陷性质及严重程度，反射波在桩身中传播如图1所示。

目前反射波法的信号分析是基于经典的纵波在杆中传播的理论，即用波动方程来描述波在桩中的传播过程，波动方程为：

(1)

(2)

结合波阵面动量守恒定律可以求得反射系数F，其表达式为式(3)。

图1 反射波法传播示意图Fig.1 A schematic diagram of the propagation of a reflection wave method

式中:E、ρ、C、A分别代表弹性模量、介质密度、应力波纵向传波速度和桩身截面面积。

当应力波在桩身中传播遇到波阻抗变化界面时，反射波的相位也会随之发生变化，由此可以判断出波阻抗变化界面，并通过L=V×Δt/2判断出波阻抗变化界面位置。

2 桩周土波阻抗的影响

桩周土层对低应变检测的影响[5-6]，主要体现在波阻抗的变化对反射波的影响。因为在桩-土体系中，桩周土的存在不可忽略，桩周土层的变化直接导致桩周波阻抗的变化。波阻抗变化界面的应力波反射问题可分为三类：

1)在波阻抗变化界面应力波反射系数F≈0时，即ρ2c2A2-ρ1c1A1≈0时，应力波几乎不发生反射，桩顶反射信号为“0”。

2)在波阻抗变化界面应力波反射系数F<0时，即ρ2c2A2-ρ1c1A1<0时，反射波相位与入射波相位同相，在波阻抗变大的下界面反射波相位与入射波相位相反，在波形上的反映为向上拉升。

3)在波阻抗变化界面应力波反射系数F>0时，即ρ2c2A2-ρ1c1A1>0时，反射波相位与入射波相位异相，在波阻抗变小的下界面反射波相位与入射波相位同向，在波形上的反映为向下拉升。

图2 84号桩反射波曲线Fig.2 Reflection wave curve of No. 84 pile

需要说明的是，在低应变反射波法中，根据费玛定律，桩身内的声波传播速度不会因为桩周土层波阻抗的变化而改变，因此桩周土对反射波曲线的影响主要由ρ和A决定。而介质密度与桩周土层的性质有关，压缩模量越小，相同条件下介质密度越大；由机械波的传播条件可知阻抗变化界面的截面积与桩周土层和桩身的粘合程度有关，粘合越紧密则等效截面面积越大。

3 实例分析

3.1 桩周存在软弱夹层的影响

某建筑工地由上至下地层主要为：种植土，粉质粘土，砂砾石，粉质粘土，砂砾石。设计基桩128根，桩径1 000 mm，桩长20.0 m～25.0 m不等，采用钻孔灌注桩，桩型为摩擦端承桩，设计混凝土强度等级C30。检测结果表明，场地绝大部分桩桩身完整，但东南部有近30根桩在距桩顶约15.0 m处均出现类似异常。以84号桩为例，反射波曲线如图2所示。该桩桩长为23.2 m，在15.4 m左右处出现明显的同相反射，但抽芯芯样完整，桩身并不存在缺陷。

桩周土层从波阻抗大的土层向波阻抗小的土层传播时，反射波会在相应位置产生向上拉升的波形，该反射信号为软弱夹层对桩身应力波曲线的干扰，造成同相反射“缺陷”的假象。

3.2 桩周存在硬夹层的影响

图3 32号桩反射波曲线Fig.3 Reflection wave curve of No. 32 pile

图4 52号桩反射波曲线Fig.4 Reflection wave curve of No. 52 pile

某建筑工地由上至下地层主要为：人工填土，淤泥质粉质粘土，砂砾石，淤泥质粉质粘土。设计基桩178根，桩径为1 000 mm，桩长在18.0 m～23.0 m之间，采用钻孔灌注桩，桩型为摩擦端承桩，设计混凝土强度等级C30。检测结果表明，场地绝大部分桩桩身完整，但西南部有近20根桩在距桩顶约7.0 m处均出现类似异常。以32号桩为例，反射波曲线如图3所示。该桩桩长为18.67 m，在7.2 m左右处出现明显的同相反射，但抽芯芯样完整，桩身并不存在缺陷。

桩周土层从波阻抗小的土层向波阻抗大的土层传播时，反射波会在相应位置产生向下拉升的波形，该反射信号为硬夹层对桩身应力波曲线的干扰，造成异向反射“缺陷”的假象。

3.3 桩底等效波阻抗与桩身接近时的影响

某建筑工地由上至下地层主要为：人工填土，粉质粘土，砂砾石层，粉质粘土，砂砾石层。设计基桩164根，桩径1 000 mm，桩长22.0 m～25.0 m不等，采用钻孔灌注桩，桩型为嵌岩桩，设计混凝土强度等级C30。检测结果表明，场地绝大部分反射波曲线桩底反射不清晰。以52号桩为例，反射波曲线如图3所示。该桩桩长为23 m，但抽芯芯样完整，桩底嵌固良好，桩身并不存在缺陷。

桩底土等效波阻抗与桩身波阻抗相近，应力波为被桩底土吸收，发生全透射，造成桩底反射信号不清晰。

4 结论

桩周土层对低应变法检测曲线的影响主要有三种情况：①桩周土存在软弱夹层时，检测曲线易出现同向反射子波，形似缩颈缺陷；②桩周土层存在硬夹层时，检测曲线易出现反相反射子波，形似扩径缺陷；③桩底土层等效波阻抗与桩身波阻抗相近时，检测曲线桩底反射不明显。因此当曲线出现缺陷反射、桩底反射不明显等异常情况时，应充分考虑到桩周土阻力的变化对曲线的影响，不能盲目的对曲线反应的结果进行定性。只有当土阻力等干扰因素剔除后，才能对曲线变化做出正确的判断。反射波法结果曲线不仅反映了桩身完整性情况，还反映了桩身受到波阻抗等影响因素的影响。为更好地对桩的质量进行分析和判断，必须对所检工地的相关资料进行收集和了解，包括工地的地质资料，岩土的力学性能，土层的分布和走向，了解在桩长度范围内各层的含水量、孔隙比、压缩模量等。在对低应变曲线分析时，如果有明显波阻抗变化界面存在，应优先考虑到干扰因素对曲线的影响(如桩周土层土阻力的变化情况)，才能正确判断桩身的完整性。在排除干扰因素后也无法确定桩身质量和完整性时，可通过抽芯法等直观检测手段进行判别和验证。