反射波法在大直径钻孔灌注桩检测中的应用实践

徐逸鸣

（湖南华城检测技术有限公司，湖南 长沙 410036）

0 引言

钻孔灌注桩的使用历史相对较长，1898年，俄国工程师提出使用混凝土和钢筋等材料构建灌注桩，取得良好效果；1901年，美国工程师雷蒙提出沉管灌注桩施工技术，使灌注桩技术得到明显提升。我国的钻孔灌注桩技术起步较晚，1963年首次在河南省安阳冯宿桥成功使用钻孔灌注桩，并自此我国对钻孔灌注桩技术的使用越发广泛。在不断发展过程中，该技术得到快速的发展，张晓华等[1]学者针对灌注桩的注浆过程特点，提出复合式注浆基础，使桩基础质量得到明显提升。Choi Juseung等[2]学者提出一种核密度估计方法，通过构建数学模型，模拟灌注桩的施工情况，从而减少不良因素影响，提高工程建设效率。商磊磊等[3]就低反射波法在勘查中的应用进行深度分析。本文在此的基础上，总结了大直径钻孔灌注桩施工中常见的故障问题，并提出使用反射波法对大直径钻孔灌注桩质量进行检测，有效提高了桩基施工质量。

1 反射波法原理分析

反射波法是利用激振设备在桩顶通过激振产生的应力波在桩基内部的传播和反射来完成桩身的检测和分析。在使用该方法时，应力波沿着钻孔灌注桩的桩体不断向下传播，在通过阻抗明显变化的界面时，出现反射波，该反射波被外部的接收器接收，接收器处理后将其传输到计算机中，技术人员能够根据波形情况对地下桩基础结构的具体情况进行分析，判断钻孔灌注桩的长度和缺陷故障位置，同时结合反射数据判断缺陷的类型，从而为桩基质量管理提供支持[4]。

在钻孔灌注桩检测过程中，在桩基础结构长度大于其直径的5倍时，可以将其作为一维弹性杠杆进行分析，在桩基础结构中出现异常情况时，该区域的波阻抗发生变化，可以使用方程（1）表示：

其中：Z为桩基波阻抗（Ns/m）；E为混凝土弹性模量（N/m2）；A为桩基础的截面面积（m2）；ρ为桩基础结构的质量密度（kg/m3）；c为桩基础中反射波的纵向波速（m/s）。通过对异常情况的判断和分析，能够了解该桩基的缺陷情况和具体位置，为桩基础的质量管理提供依据。

在该过程中，能够发现波速对缺陷的识别分析准确性影响相对较大，为保障波速的稳定性，应对影响波速的因素进行分析。在检测过程中，影响波速的因素主要包括：钻孔灌注桩基材料粘弹性作用导致的物理频散，入射频率增大的情况下，波速提升，反之波速下降；桩身几何尺寸的影响，包括横向尺寸导致的几何频散，即大直径桩基中波速相对较低，从而容易出现计算值误差情况；土阻力影响因素。在混凝土钻孔灌注桩的检测中，波速能够反映出混凝土的密度和强度变化情况，具体如表1所示。

表1 波速与混凝土强度等级的关系

基于此，为提高反射波法在钻孔灌注桩检测中的准确性，应采取标准措施的基础上，降低对波速的干扰，以全面提高检测效果。

2 大直径灌注桩常见缺陷及检测的必要性

2.1 灌注桩常见故障

大直径钻孔灌注桩在施工过程中，受到施工技术和养护技术等落实效果的影响，其可能出现一定的缺陷，在进行反射波检测时，存在较为明显的波形变化。正常状态下，工程大直径钻孔灌注桩的波形较为清晰且规范，如图1所示，通过观察波形能够发现其反射波的波初和入射波波初相位相同。在该情况下，钻孔灌注桩的质地较为均匀且具有较强的完整性和连续性，内部骨料混合均匀。

图1 完整桩基础结构检测波形

图2 离析桩基础结构检测波形

图3 夹泥桩基础结构检测波形

图4 断桩基础结构检测波形

存在故障的桩体主要包括三类：（1）离析桩。该类型桩基结构内部的材料不均匀，并且存在蜂窝等缺陷的情况，因此在检测时，其波形不具有规律性，并且整体波形不够光滑，但较为清晰[5]。

（2）夹泥桩。此类桩基础结构中，能够明显发现不规范区域，对该区域进行钻芯研究，能够发现该处存在明显的夹泥情况，整体表面较为光滑。

（3）断桩。在发生断桩后，桩体分为不同部分，在反射波传输过程中能够发现明显的曲线，或者无桩底反射波，因此判断其存在断裂故障。

2.2 工程检测必要性

随着钻孔灌注桩技术的不断发展，其优势越发明显，该技术的施工工艺较为简单，并且能够明显提高工程的实际建设效率，且能够使用在不同类型建筑的地基构建过程中，具有较强的承载力。因此桩基础施工过程中的质量管理受到广泛重视。为了在短时间内得到准确的故障信息，且不对桩基础结构产生影响，使用反射波检测方法十分必要，其不仅能够实现无损检测，同时能够准确获取桩基础内部的实际情况，对桩基础结构质量检测和管理具有较大的帮助。因此相关施工单位应加强对相关技术的掌握、学习和实践，确保其能够在灌注桩施工中达到广泛的应用。

3 反射波法在大直径钻孔灌注桩检测中的实际应用

3.1 检测系统构建

结合反射波法的检测原理，按照工程中大直径钻孔灌注桩建设情况和检测需求完善检测系统，从而使检测结果更加真实有效。检测系统构建时，首先，应明确其组成结构。如图5，在反射波法检测过程中，应使用力锤敲打桩基础结构，产生振动波，该波段进入到桩基内部，在不断的传播和反射中，收集其中的反射波，并将相关数据传输到桩基动测仪中进行分析。

图5 反射波法桩基检测技术

首先，力锤作为激振系统，其能够在敲击桩基的过程中产生瞬态的脉冲信号。不同材质的力锤产生的反射波脉冲信号存在一定差异，其中脉冲信号宽度越大，其频域越窄，因此能量越集中，反之能量较为分散。因此在选择力锤时，可以通过不同力锤敲击实验进行分析，选择恰当的信号宽度。

其次，测量系统主要指传感器，传感器能够检测反射波的加速度和速度变化情况，并将该数据转化为电信号上传到检测仪中进行分析。传感器主要结构为晶体材料、放大器等，能够将速度或加速度变化情况转化为电信号，并使用放大器提高电信号大小，从而使电信号顺利传输到设备中，以保障信号传输的有效性。

最后，系统中的分析系统是指桩基动测仪，其能够收集传感器的信号，并进行转化和分析。通过模/数（A/D）技术进行转化，便于技术人员进行观察和分析。该仪器的精准度较高，其相位偏差一般在0.1ms以内。

3.2 桩体检测分析

在对大直径钻孔灌注桩进行检测分析时，应按照一定的顺序进行，以保障测量的准确性。以某桥梁工程为例，该桥梁工程基础施工时，使用大直径钻孔灌注桩技术，该桩基础结构长度为7.5m，桩径为1 000mm，混凝土强度为C25，对其进行质量检测。

在检测前需要做好相应的准备工作。首先，应收集工程资料。检测人员应对桩基础施工现场有一定的了解，包括该区域的水文地质情况、设计要求、桩基施工参数和记录等相关资料。此时应注意准确检测混凝土龄期，由于混凝土龄期直接影响桩基强度等情况，该参数对桩基检测结果有较大影响。其次，对桩头进行处理。在检测时，需要使用力锤敲击桩头区域，同时在桩头安装信号接收设备，因此需要对该区域进行简单处理，如去除浮浆、尘土、松散部分等，但在清理过程中，避免使用勾机等设备处理，以免产生较大作用力，影响桩基础结构的质量。最后，确保检测人员掌握相关技术，如敲击时避免碰触钢筋等，以免检测数据不准确，影响实际判断效果。

在现场检测过程中，应合理安装传感器。一般情况下，大直径桩基础检测时，传感器检测点数应随着直径增大而增加，在桩基直径大于0.5m时，传感器检测点数应大于两个，在桩基础直径大于1.2m时，其检测点应在三个以上，在直径大于2m时，测量传感器的检测点位应大于四个。在选择位置时，应按照桩基础的圆周均匀布设，从而保障数据检测的准确性，同时便于进行数据对比分析。完成传感器的安装和参数调整后，可以使用力锤进行激振，此时应根据桩基础条件合理选择力锤类型，同时使用多种敲击方式，以充分获取相关的测试数据，以便提高数据的分析的真实性和有效性。

在完成激振后，传感器将采集的数据传输到仪器中进行信号处理。受到施工现场干扰因素的影响，为保障数据的精准性，数据处理前需要对其进行过滤，将无效的波段和信号排除，以提高分析的准确性，同时减少数据处理总量。在分析时，可以通过数据的时域和频域两方面进行分析。

时域分析时，在该过程中，需要检测分析波速、平均波速，报告利用其数据分析桩基缺陷位置。波速计算时使用公式（2）：

其中：c为反射波的波速，（m/s）；L为桩基长度，（m）；△T为桩底反射波达到桩头的时间，（s）。

计算平均波速时使用公式（3）：

其中：cm为平均波速，m/s；ci为第i个桩基结构的波速，m/s；n为桩基数量。

在此基础上，缺陷位置使用公式（4）为：

其中：x为桩基中缺陷位置与传感器的距离，m；△tx为缺陷反射波峰与第一波峰的时间差，s；c为被检测的桩基中波速，m/s。

频域分析时，通过分析反射波的频率变化情况，能够有效锁定故障区域，将其与时域分析进行结合，能够有效排除干扰因素，提高故障检测的准确性。在使用频域分析的方法确定缺陷位置时，使用公式（5）：

其中：x为桩身缺陷故障与传感器之间的距离，m；c为波速，m/s；△f为幅频信号与缺陷相邻谐振峰间频差，Hz。

3.3 技术落实应用

借助反射波法对大直径钻孔灌注桩的质量进行检测和分析，能够准确了解桩基础的实际情况，为进一步保障桩基础质量，需要充分借助反射波法对工程现场进行检测，获取现场中钻孔灌注桩分布情况和故障情况，从而有效结合检测结果作出更加客观的判断和分析。在实际的检测过程中，应充分调查桩基所在其区域的地质情况，结合不同岩土层的类别，合理调整混凝土桩基结构的检测的方式，以充分了解桩基质量。

在大直径钻孔灌注桩施工7d后，可以对其进行强度试验，在强度达到70%后，可以对其进行完整性检测，通过反射波法，对现场的桩基础结构进行检测和分析，得到最终桩基础结构的整体质量情况。

4 反射波法实践应用优缺点分析

使用反射波法对大直径钻孔灌注桩的质量进行检测具有较为明显的优势，一方面，在检测时，对设备的需求较为简单，只需要简单的操作就能够快速得到结果。另一方面，该方法的检测速度较快，且费用较低，符合工程施工过程中成本控制的要求。

但同时该方法在使用过程中同样存在一定的局限性，首先，在使用力锤进行激振时，其产生的反射波较多，反射波在内部传输时，遇到施工材料时，同样会进行反射，还应反射的波段相对较多，对波形判断和分析带来一定的难度，同时也使得检测的结果存在一定误差。其次，在对桩基质量进行检测时，只能对其曲线形态进行分析，无法有效获取缺陷区域的实际情况，导致可能出现误判的情况，在一定情况下影响检测的精准性。最后，该方法在实施过程中，容易受到不同因素的影响，如混凝土材料、配料的粒径、水灰比以及钢筋距离等，在进行缺陷验证时，仍需要搭配钻芯法进行验证。

基于该方法的不足，在对该技术进行改进和优化时，一方面可以通过优化激振方式提高对波速控制效果，从而减少其他因素对波速的影响。另一方面，可以借助现代定量电子分布软件等进行分析，提高缺陷的分析精准度，从而使该技术的应用效果得到提升。

5 结论

综上所述，在大直径钻孔灌注桩质量检测研究过程中，得出以下结论：

（1）使用反射波法能够快速获取缺陷相关情况，便于施工人员对故障进行有效的判断和分析；

（2）反射波法可以在短时间内获取缺陷位置，对工程质量检测和管理有一定的促进作用；

（3）结合反射波波速变化可以判断桩基础缺陷情况，不同波形代表响应缺陷类型；

（4）稳重给出的测量方法可以为后续的灌注桩施工作为质量检测参考。