低应变反射波法桩基完整性检测技术及应用

张占超 朱浩然 翁 楠 连 晶

(1.张家口市建设工程质量监督站,河北 张家口 075000；2.河北省建筑工程质量检测中心有限公司，河北 张家口 075000；3.张家口市正元工程检测中心，河北 张家口 075000)

0 引 言

当前，我国经济发展迅速，工程建设也在迅猛发展.而现代化建设的重要特征之一的高层建筑，则随之拔地而起.高层建筑通常荷载大，层数高，所以地基承载力的要求，变形的要求都较高.桩基础具有较高的承载力，同时其沉降量较小，变形稳定性好，应用较为广泛.桩基工程在地下施工，属于隐蔽工程，不能进行直观的质量检测.所以桩基完整性检测成为了质检的重要内容[1].桩的完整性检测，得到国内外诸多学者的关注与研究.

吴文军等[2]对桩基进行了两种方法的艰完整性检测，分别为钻芯法和低应变反射波法，并分析了两种检测方法的结果，讨论了各自的优缺点.韩亮[3]对声波透射法进行了详细的介绍说明，主要包括其新的技术方法，如三维层析成像分析、相对能量判别等；并分析了其在工程中的应用实例.Si Yi Du等[4]根据应力波理论和试验结果,分析了影响桩身应力波速度的因素,确定了桩身应力波速度与时间和混凝土龄期的定量关系,提出了5种桩身应力波速度的量化方法,供试验工程师根据工程实际控制桩身质量.杨宇等[5]采用低应变法，对桩柱式基础进行了分析，研究了该方法的适宜性.牟粼琳等[6]采用有限元方法，模拟了低应变法桩基检测，并对信号进行小波分析，验证了小波分析系统的合理性.

从上述研究可知，对于桩基完整性检测，主要有钻芯法、声波透射法、高应变法和低应变法[7]等.低应变法中又分为反射波法[8]、动参数法和机械阻抗法[9]等.低应变反射波法因具有诸多优点，得到了广泛的应用.本文主要针对低应变反射波法，介绍其原理和系统，以及其工程应用实例.

1 低应变反射波法原理

低应变反射波法，作为广泛应用的桩基检测技术，其理论基础就是波动理论，该理论的假定条件为：将杆件视为一维的、均质的、连续的线弹性杆件.使用激振设备，从桩顶输入激振信号，使之产生弹性波，并沿桩身传播，方向向下，当弹性波传至桩底时，会产生反射波，方向向上；在传播的过程中，如果桩身存在不连续界面，比如断桩、离析、扩径、缩颈等情况，波阻抗就会发生变化，同时也会产生相应的反射波，与入射波相叠加.之后通过传感器，放大器等仪器，对反射信号进行收集，并通过分析软件，综合分析反射波的波形、相位、频谱等信息，从而判断桩身的完整性.

2 低应变反射波法检测系统

上述所知，低应变反射波法，是一门综合应用技术，涉及到多种学科，如桩基工程、物理学、计算机技术等.其工作示意图如图1.

图1 低应变反射波法工作原理示意图

2.1 激振设备

低应变反射波法，通过激振设备在桩顶施加激振信号，主要有手锤、自由落体球等，多数采用手锤.不同类型的手锤，其材料、质量、有效接触面积均不同，产生的激振信号也不同.各振源因素的主要表现为：

2.1.1 锤头材质

当采用的锤头材质较硬时，激发是脉冲信号相对较窄，较窄的脉冲信号对桩身缺陷的判别有利，但非常容易衰减，不易收集反射信号；反之，当采用的锤头材质较软时，激发是脉冲信号相对较宽，较宽的脉冲信号收集较容易，但同时对桩身缺陷的判别能力减弱.

2.1.2 锤击能量

锤体自身的重量以及锤击的速度，决定了激振信号的能量的大小.锤击能量应当适宜，能量如果太小，因为应力波的衰减，反射信号不易采集.锤体重量也不能过大，否则会掩盖反射信号.所以，应根据实际工程，选择合适的锤体重量和锤击速度.

2.1.3 有效接触面积

大直径灌注桩的检测，应选择较重的锤体，从而加大锤击能量，同时，宜选择直径较大的锤体，可以增加桩顶与锤体的有效接触面积，使得收集到更加清晰明显的反射信号.

2.2 传感器

桩基检测中，主要用到力传感器和速度传感器.传感器的选择与安装，需要满足相关规范标准的要求.在实际工程情况中，根据灵敏度、阻尼比、固有频率及频宽等主要技术指标，选择适宜的传感器.

2.3 放大器

反射信号收集之后，为了得到更加清晰明显的信号，方便之后的分析和判定，需要放大器将信号放大.

2.4 信号采集分析仪

信号采集分析仪，其工作原理是，通过模/数转换器采集信号.相关规定[10]要求转换器位数，不得低于12位.信号分辨率由转换器位数决定.信号输入量见公式1：

Va=Vr(a1×2-1+a2×2-2+…an×2-n)

(1)

式中，n为转换器位数，信号的最小分辨率为2-(n-1).

实际工程应用时，要求该仪器体积小、方便操作使用、性能稳定.同时，还需具备多种综合功能，如数据采集、计算、分析等.

3 工程应用实例分析

3.1 完整桩工程实例

某高层桩基工程，采用嵌岩桩，桩长为L=30m，桩径D=1000mm，设计时选用C30混凝土.查看岩土勘察资料可知，土层分为四层，分别为沙质蓬松土、粉质黏土、坚硬粉质黏土及密实性粉质黏土，该桩的桩端持力层为密实性粉质黏土.检测前，连接检测设备，调整仪器精密度，对桩头进行处理，布置传感器，输入激振信号，采集记录清晰的时域曲线(如图2)，经专业人士分析判断，判定桩身完整性.

图2 某完整桩实测时域曲线

由图2可知，该桩的实测时域曲线光滑、规则，桩身完整性好；15m之前曲线逐渐下降，土层较好；桩底的反向反射波清晰明显，说明该桩嵌岩良好，没有沉渣.波速为3200m/s.

完整桩的时域曲线，因不存在离析、扩径等缺陷，波阻抗几乎变化很小，其曲线规则、光滑.

3.2 缩径、扩径桩工程实例

某办公楼高层建筑的桩基工程，采用钻孔灌注桩，桩长为L=40m，桩径D=800mm，设计时选用C25混凝土.查看岩土勘察资料可知，土层分为四层，分别为淤泥质粉砂、粉细砂、淤泥质黏土、坚硬状粉质黏土，以全风化花岗岩为桩端持力层.实测时域曲线如图3.

图3 某扩径桩实测时域曲线

由图3时域曲线，同时查询工程地质条件、施工记录，分析可知，该桩有护筒，长度为4m，筒径1000mm.分析时域曲线，该桩桩身4m处出现同相反射波，发生缩径，6m处出现反向反射波，存在扩径现象，8m处发生第二次缩径，10m处发生再次扩径现象.波速3500m/s.

缩径与扩径桩，是指桩径在某处突然缩小或扩大，在界面处产生了波阻抗的大幅变化，形成不同相位的反射波，得到的时域曲线也有相应的表现.

3.3 离析桩工程实例

某桩基工程，采用冲击成孔灌注桩，查看岩土勘察资料可知，土层分为四层，分别为粉质黏土、粗砂、细砂、密实性粉质细砂.其桩长L=20m，桩径D=1200mm，设计时选用C30混凝土.实测时域曲线如图4.

图4 某离析桩实测时域曲线

由图4时域曲线，同时查询工程地质条件、施工记录等，分析可知，时域曲线在4m附近处出现反向反射波，产生扩径，8m之后呈现低频振荡现象，而桩身底部没有明显反应.故桩身在8～9m处，发生了严重的离析现象.

离析桩，是指外形完整，但因为材料、水灰比或骨料配比，以及施工振捣等问题，导致局部段砂石分布不均的桩.在发生离析处，波阻抗发生变化，其时域曲线呈现低频振荡现象.

4 结 论

桩基检测技术，是一门涉及到多种学科的综合性技术，本文介绍了低应变反射波法的基本原理以及检测系统，并对典型的工程应用实例进行了分析，得出如下结论：

(1)完整桩的时域曲线，因不存在离析、扩径等缺陷，波阻抗几乎变化很小，其曲线规则、光滑.

(2)缩径与扩径桩，在界面处产生了波阻抗的大幅变化，形成不同相位的反射波，得到的时域曲线也有相应的表现.

(3)离析桩，在发生离析处，波阻抗发生变化，其时域曲线呈现低频振荡现象.

(4)不同的激振设备，不同的桩身类型，产生不同的反射曲线，建议结合具体的工程情况，选择合适的激振设备，这样有利于得到清晰明显反射曲线，并综合地质条件资料、施工记录等多种因素来判定，提高准确性.