反射波法在检测软土基桩完整性中的应用

王炜，黄殿武，高金良，熊厚仁

(1.浙江兴远建设有限公司，浙江嘉兴314003；2.嘉兴学院 建筑工程学院，浙江嘉兴314001)

近年来，桩基工程因其施工方便、承载力可调而被广泛应用在建筑、交通等领域，[1-3]同时吸引大量技术人员研究其力学及安全性能[4-6].桩的分类繁多，按承载力可分为端承桩、摩擦桩和端摩桩；按成桩方式可分为预制桩和灌注桩；按桩质可分为钢桩、钢筋砼桩、砼桩、木桩、粉喷桩、石灰桩、砂桩、碎石桩等；按形状可分为圆桩、方桩，矩形桩与异状桩等.桩基是建筑物的基础，支撑着地面上的建(构)筑物，是隐遮在地下的隐蔽工程，缺陷桩、断桩等对建(构)筑物的安全有着重要危害，因此，基桩检测已引起人们的高度重视,成为地基基础问题的一个热点.[7-8]而基桩检测中最重要的内容是承载力检测，承载力检测是随机抽样和重点抽样的静力检测，优点是可以给出准确的单桩极限承载力，缺点是难以全面检测所有工程桩，因此会出现不合格工程桩漏检的情况.为弥补静力检测的不足,学者发明了桩基动力检测法，目前使用较多的动力检测法是反射波检测法，其操作方便，并可实现工程桩全部检测，因此,被大量工程技术人员所采用.[9-11]基桩的完整性对建筑物的基础安全具有重要影响，反射波法可以用来快速检测并评价桩身完整性.本文以软土地区某工程桩基低应变检测为例，分析反射波法在软土基桩完整性检测中的应用.

1 反射波法的判断缺陷

根据文献[12-13]的研究成果，将桩身近似为一维杆件，通过敲击桩顶产生下行波，因横波、面波的波速和波幅与纵波相比较小，因此只考虑弹性纵波在桩体内传播，假设桩身各横截面振动过程中保持与轴心垂直且保持平面，将桩身看做无穷多个等间距h和等质量的质点mi通过刚度为E的弹簧连在一起，杆件线密度为ρ，则每个质点的质量为mi=ρh，建立纵波模型如图1，其中坐标x方向为桩体轴心指向桩底方向且为纵波下行波方向.

图1 桩体一维波动示意图

以u表示x方向的位移，则一维波动方程可以写为

(1)

u(x,t)=g(x-ct)+f(x+ct)

(2)

式(2)中,g(x-ct)表示的是向桩底的下行波，f(x+ct)表示的是回桩顶的反射波，通过在桩顶安置传感器来接收锤击桩顶产生的下行波和反射波的纵波信号，桩身缺陷位置由于弹性模量、密度及横截面积等与正常桩身不同，导致波的传播速度等受到影响而变化，通过对反射波波速、相位和波幅变化进行分析，进而判断桩身缺陷性质和位置.图2为一维波动理论分析判断桩身缺陷位置的示意图.

图2 反射波判断桩身缺陷位置示意图

取L为桩顶到桩底的距离，t为在桩顶位置接收反射波的时间，tL为在桩顶位置接收到桩底反射波的时间.反射波的行程由桩顶到桩底的入射行程和桩底反射到桩顶的反射行程两部分组成，总行程为入射行程与反射行程之和，即为2倍桩身长度，则桩身的平均波速为

c=2L/tL

(3)

第一个桩身缺陷反射波时间为t0，则桩身缺陷位置距离桩顶的距离L0为

(4)

反射波法对桩身完整性判定，需考虑土层性质，当桩周围存在流塑性等软弱土层，预制桩施工产生超孔隙水压力及挤土效应等造成桩身损伤，灌注桩施工也会因混凝土流失导致出现桩身离析、缩径和扩径等情况，对具体工程，反射波信号应将桩型、成桩工艺、土层性质等综合分析，判断桩身完整性程度.

2 实测案例

2.1 桩基施工情况

2.2 现场检测

在桩顶锤击产生下行入射波，反射波由安装在桩顶的传感器接收，通过基桩动测仪采集信号并进行分析，判定桩长和桩身完整性.

采用橡皮泥作为耦合剂，将两个信号的接收传感器安装在桩顶部同一直径的1/2壁厚处，并与桩顶面垂直.锤击桩顶后，传感器得到反射波信号，如图3、图4和图5所示.

图3 完整桩的反射波曲线

图4 轻微缺陷桩反射波曲线

图5 断桩反射波曲线

观察图3中桩身长度0至20 m段的反射波信号，桩头处(第一反射波峰)反射波信号连续且光滑，证明本预制桩静压施工，桩头完好.本预制桩身密度远大于桩端土的密度，所以反射波信号会在桩端与软土界面产生与入射波同相的反射峰，而且信号传输过程中的不断衰减也会导致反射波幅小于桩头波幅，根据在20 m处有一明显小于入射波信号波幅的同相反射，而且信号连续且光滑，可判定20 m处为完好桩底.中间段未产生与入射波同相波峰，也未产生明显反相波峰，反射波信号振幅趋向于横坐标轴，波形连续而且光滑，说明桩身在0至20 m之间桩身混凝土混合均匀，接桩良好，无裂缝等缺陷；桩身检测砼波速为4100 m/s，判定桩身混凝土密实度良好.综合以上，判定此桩无缺陷，完整性好.

由图4可以看出，桩头(第一反射波峰)处反射波信号连续且光滑，说明桩头完好. 20 m处的反射波峰是因为桩身密度大于桩端土密度而导致的同相反射，此处波幅小于桩头处的波幅，证明了信号传输过程中的不断衰减，同时发现此处信号连续且光滑，说明桩底完好，综合分析可以判定20 m处为完好桩底.中间段8.19 m处见到与入射波同相的微小反射峰，同相反射说明该处桩身横截面积变小，反射信号的波幅较小，说明大部分信号继续向深处传播，也证明该处横截面积变化程度较少，初判此处可能存在轻微缺陷；其他位置的波形基本连续、光滑，未见同相和反相波峰，说明透射信号未被阻断并继续向深处传播，结合土层分布情况，发现8.19 m处的土层是淤泥质粉质黏土，属于流塑性较大的软弱土层，预制桩在施工过程中会因流塑性土中的超孔隙水压存在或挤土而导致该位置桩身易受横向力作用而损伤.综上，判定该桩8.19 m处存在轻微缺陷.

由图5看出，桩头(第一反射波峰)处反射信号连续且光滑，说明桩头未破损.20 m处未见到桩底反射波峰，说明入射波衰减很快，未能到达桩底处，不能形成桩底同相反射波峰，初步判断桩身可能存在较大缺陷.中间段5.63 m处存在小于入射波的较大反射波，同相说明桩身横截面积缩小，反射波幅较大说明横截面积缩小程度较大，初判该处可能存在较大裂缝，导致桩身连续程度较大幅度降低，进一步观察发现，11.21 m处的反射波同相且波幅小于5.63 m处，并发现桩头处波峰、5.63 m处反射波峰和11.21 m处反射波峰间距分别为5.63 m和5.58 m，几乎呈等距排列，且波幅衰减也较大，因此可判定11.21 m处的同相反射波峰为5.63 m处的缺陷二次反射，说明5.63 m处缺陷较大，入射波到达5.63 m的缺陷处立即反射，未能继续向桩底传输，所以桩顶未能接收到5.63 m处的桩身反射波信号，结合土层分布情况，发现5.63 m处的土层为淤泥质粉质黏土，流塑性大，易发生挤土导致桩身剪坏，综合分析，可判定该桩在5.63 m处发生断裂.

3 结论

本文将桩体近似为一维弹性体，依据一维波动理论，在平截面假设下，接收和分析锤击桩顶产生的反射波，因桩身截面积、密度或桩身弹性模量变化导致信号不同，形成接收4的反射波峰与桩头处波峰同相或反相，确定桩底反射波后，预估桩身波速，按照同相缩径及反相扩径判断缺陷位置，以某工程桩的三种典型反射波形为例，通过桩头、桩底和中间段信号分析，得到完整桩判定依据是反射波信号在桩身长度范围是连续和光滑曲线，振幅趋向于横坐标轴，桩底反射波明显，中间段没有与入射波同相和反相的振幅.