反射波法检测桩身完整性在应用中的常见问题

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第３期　西部探矿工程　２ｌ　反射波法检测桩身完整性在应用中的常见问题　高承成，齐旭锋　（天津华勘基础工程检测有限公司，天津３００１８１）　摘要：反射波法作为一种常用的桩身质量无损检测方法，应用非常的广泛。简述了反射波法的理论　要点，主要讨论了反射波法检测桩身完整性及在实际应用中经常遇到的几个常见的问题。　关键词：反射波法；测试盲区；缺陷判定；高频干扰　中图分类号：ＴＵ４７３．６文献标识码：Ｂ文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２ＯＯ７）Ｏ３～ＯＯ２１一Ｏ３　反射波法因其有着原理简单、易懂，现场测试方便、　Ｖｒ一　Ｖｉ一　快捷，测试结果准确、直观等诸多优点，在我国工程界得　到了广泛的应用。经过国内外多年的研究发展，反射波　透射波质点振动速度量：　法已具有了比较完善的理论基础和先进的诊断技术，能　Ｖ　一　一（１＋ａ）Ｖｉ　够较为准确的诊断桩身质量情况。　Ｌ１－ｔ＿Ｌ２　１基本理论　式中：ａ——反射系数，ａ一　Ｉ　，一ｌ（ａ（１；　反射波法以波动理论为基础，将桩视为一维弹性杆　件，一维弹性杆件的波动方程如下：　ｉ，ｒ，ｔ——入射波、反射波和透射波；　Ｚ　，　——界面上下桩身的波阻抗。　由上述反射、透射质点振动速度量公式可以看出，　弹性波自桩顶向下传播过程中遇到波阻抗差异界面时，　透射波Ｖｉ始终不改变方向，与初始入射波同相，而波阻　介质１　介质２　抗差异界面处产生的反射波的相位则由反射系数ａ决　定，当ａ＞０时，Ｚ　＞Ｚ２，即波从波阻抗大的介质进入波　阻抗小的介质，反射波与初始入射波同相，当ａ（０时，　图１反射法示意图　Ｚ　＜　，即波从波阻抗小的介质进入波阻抗大的介质，　反射波与初始入射波反相。　Ｕ２　ａ　Ｅ　ａ　ｕ　波阻抗差异界面两侧材料波阻抗差异的大小（桩身的　．—ａｔ２一　３ｘ２一ｐ　ａ　Ｘ２　缺陷程度）决定了反射响应信号的强弱。当缺陷较严重　厅　式中：ｒ桩身弹性纵波速度，ｃ一√詈；　时，应力波会在缺陷部位界面处发生多次反射，而多次反　射响应的时间差（Ａｔ＝２　，△Ｉ　为缺陷深度）均相等。　ｒ广义波阻抗，ｚ一　一ＰｃＡ；　２反射波法在实际应用中的几个常见问题　ｕ——质点振动的位移函数；　２．１测试盲区　‘　Ｅ——桩身的弹性模量；　反射波法基桩检测存在一个测试盲区，一般认为是　桩身的质量密度；　在桩顶以下２ｍ范围内，在这个区内桩身存在的缺陷无　ｒ桩的弹性纵波速度；　法被有效的检测出来。测试盲区的深度与桩径、手锤重　Ａ——桩的横截面积。　量及传感器的频宽等诸多因素有关，工程检测中对测试　当在桩顶施加一瞬时激振力作用，弹性入射波沿桩身　盲区的忽视往往会导致错判、误判现象。就反射波的测　向下传播，由于桩底或缺陷部位存在波阻抗差异，沿桩身　试盲区而言，用速度传感器检测是比较危险的，国外在　传递的入射波在波阻抗差异界面处产生反射和透射。　反射波法动测中很少采用速度传感器，笔者提倡在实际　反射波质点振动速度量：　基桩低应变检测中尽量优先选择加速度传感器。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２２　２．２缺陷的判定　西部探矿工程　２００７年第３期　（１）桩身缺陷位置的判定：桩身中波阻抗的变化，低　应变测试曲线都会有所反应，阻抗变化（缺陷部位）的位　＾●　同。尤其明显的一个问题就是对桩身断裂程度的判定，　只要桩身中存在贯穿的断裂面，波就不再向下传播，而　至于到底是大的裂缝还是小的裂缝，裂缝程度大小有多　严重，我们就很难判定了，因为裂缝的反射信号在时域　曲线上的几乎是一样的。因此反射波法不能给出准确　置由公式很容易给出：ｂＩ　＝＝＝ｃ　，由于波速ｃ是一个平　厶　均值，需要通过现场多根桩的波速平均求得，或者参考　桩身强度等级、成桩龄期等情况输入一个相对准确的波　速值，这其中的误差是非常明显的，它直接影响着缺陷　部位深度的判定。　的量化分析，只能综合各种因素，分析时域曲线等情况，　结合缺陷位置，给出合理的缺陷类别。　（４）多重缺陷的判断：桩身上部如果存在多个缺陷，　将阻碍信号向下传递，使桩身下部缺陷难以识别，特别　（２）桩身缺陷性质　的判定：实际基桩检测　中，桩身缺陷主要有：扩　径、缩径、离析、夹泥、断　裂等等。　①就对桩身承载能　图２扩径桩波形图　力的影响而言，扩径可　以提高桩身承载力，因　而在完整性类别划分的　时候扩径是不被视为不　良缺陷的。在时域特征　曲线上，扩径是表现出　反射波与入射波反相的　图３缩径桩波形图　特点（如图２所示），与　其它几种缺陷相比可能　更容易区分，但应该注　意的是，如果时域曲线　上入射波附近有幅值很　大的反射波出现时，未　必就一定是由浅部扩径　图４离析桩波形图　引起的，浅部严重的不　良缺陷（浅部断桩）同样会有类似的特征，所以在碰到以　上现象时，应综合各种因素考虑清楚，以免发生误判。　②缩径、离析、夹泥、断裂等缺陷会降低桩身的承载　能力，在完整性类别划分时这些缺陷均被视为不良缺　陷。在时域特征曲线上，它们均表现出反射波与入射波　同相的特点（如图３、图４所示），有时要从时域曲线上　准确区分这几个缺陷是比较困难的，尤其碰到多种缺陷　形式并存的时候，区分起来更加困难。一般来说，缩径　的反射比较明显，后面会出现一个扩径的反射，离析、夹　泥反射不是很明显，而且反射信号的频率较入射波低，　断裂的反射比较明显，频率没有变化。　（３）桩身缺陷程度的判定：对桩身缺陷程度的判定　影响最大的是人为因素，因为在桩身完整性分析时，由　于分析人员采用的处理方法不同，掌握的尺度也不尽相　是缺陷等间距排列时，识别起来相当困难。另外如果桩　身浅部大扩径时同样会阻碍信号传递，实测曲线也只能　见到扩径的多次反射，此时扩径部位以下桩身质量将无　法测试到，使得分析结果不够准确。　２．３高频干扰问题　在低应变动力测试中，经常出现高频干扰，大直径　桩尤为明显，如果提高高频成分的能量，即使完整桩的　测试波形也会产生振荡，振荡幅值的衰减比较缓慢。这　种高频干扰对缺陷的反射及桩底反射都有很强的掩盖　作用，影响了反射波法对桩身完整性的评价。　激励脉冲的宽度、桩径的大小、传感器的安装位置　等都直接影响高频干扰波的强弱，不同位置的高频干扰　波影响强弱不同，研究证明桩顶２／３Ｒ处高频干扰影响　相对较小。在检测大桩时，应选用重锤加适当软垫，拓　宽力脉冲的宽度，并选择合适的传感器安装位置，以减　少高频干扰的影响。　３现场测试　在信号的现场采集过程中，由于受各种因素的干　扰，所得的测试信号中会出现许多干扰波，现场检测时　务必要将这些波和真实的桩身振动响应区分清楚，以免　影响分析结果的准确性。野外现场采集信号时一般需　注意以下几方面：　（１）桩头处理：桩头要平整，剔除表面浮浆，露出混　凝土新鲜界面，桩顶的外露钢筋不能影响测试工作（有　外露箍筋时应事先去除）。　（２）传感器的安装方式：传感器的安装方式不同，　测试信号也不会完全相同，如果安装不好会极大地降低　安装谐振频率，或者调制进不需要的信号。通常的安装　方式是采用石蜡、石膏、橡皮泥等直接把传感器垂直粘　固在桩顶，应该注意的是，采用橡皮泥安装时，尼龙锤橡　皮泥厚度不宜过大，否则容易形成桩顶实测信息的反　冲，同时传感器粘贴位置不可靠近截面边缘或离钢筋太　近，规范明确规定：桩顶截面距中心２／３Ｒ处为理想测　试区域，传感器应安装在此区间测试效果最佳。　（下转第２５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第３期　西部探矿工程　（２）当桩底存在明显波阻抗差异界面时，土阻力应　力波速度曲线桩底反射明显，而倾斜桩速度曲线桩底反　射不明显。　（３）对于土阻力引起的实测波形异常，各向激振与　图１０为江村１　钻孔灌注桩（垂直桩）Ｓ、Ｎ、中三向　纵波实测时程曲线图（桩径８００ｍｍ，桩长１１．５ｍ）。　由图１０见可１　垂直桩特征，在桩头不同点位激振　与接收，直达波后时程曲线在零线附近出现微小波动，　直到桩底，各向变异极小且桩底反射明显。　接收，曲线变异性较小，而对于倾斜桩，不同敲击和不同　接收点，应力波速度曲线变异性较大。　（４）在大多数情况下，土阻力影响呈局部窄小负相　脉冲，而桩倾斜速度曲线往往在直达波后呈连续的宽大　图１０　１　桩（垂直桩）实测波形图　２．３试验３　图１１为花都模型桩基地１１　圆柱型模型倾斜桩　（８。）实测时程曲线（桩径ｊ２『５００ｍｍ，桩长７ｍ）。　由图１１可见，基桩倾斜时，在桩面上不同方向激振　与接收，其时程曲线负相脉冲大且变异极大。　／　、　一／——＼　Ｓ　＼　；　ｌ　／　＼一一　、＼　／　、　、　Ｖ　＼————————————～　／　．／　＼　／一　＼、＼　／———一　Ｎ　／　＼　＼—～　———————————、————ｅ　—————————～　图ｌｌ　ｌＩ　圆柱型桩（倾斜８。）实测时间域波形图　３土阻力与桩倾斜对应力波影响的异同点　综上试验对比分析，可得以下结论：　（１）土阻力与桩倾斜对应力波实测波形影响均可导　致速度曲线向下位移（负相脉冲较正常桩严重）。　负相脉冲异常。　（５）在同一工地相同的地层条件下，当一部分桩出　现明显负相脉冲，而另一部分桩没有出现时，则可排除　曲线异常为土阻力引起的可能。　基桩倾斜无损检测技术研究项目，为广东省地质勘　查局２００４年度地质科研基金资助项目。２００６年４月３　日，此研究项目已正式通过广东省科学技术厅组织的成　果鉴定。　参考文献：　［１］徐天平．基桩应力波反射法检测技术［Ｒ］．广东省建筑科学　研究院，１９９９．　［２］王振东．低应变动测技术理论与实践基础［Ｒ］．中国地质调　查局，１９９６．　［３］邓业灿，李毅臻，等．基桩倾斜无损检测技术研究报告［Ｒ］．　广东省工程勘察院，２００６．　（上接第２２页）　（３）激振材料选择：合理的选择激振材料是确保采　集到高质量信号的重要环节。普通的尼龙锤、铁锤击振　过程中含有大量的高频信号，极大地降低了人射信号的　传播能力（信号频率越高衰减越快），对于长径比大于　３０的细长桩而言，用尼龙锤、铁锤等小锤击振时几乎很　难见到清晰的桩底反射，而使用力棒测试效果较好。　４结束语　反射波法以一维波动理论为基础，但桩是个三维　体，理论模型与实际还是有着相当的差距，反射波法的　理论仍需不断地发展和完善。　参考文献：　［１］中华人民共和国行业标准．ＪＧＪ１０６—２００３，Ｊ２５６—２００３建　筑基桩检测技术规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，　２００３，６．　［２］陈凡，徐天平，陈久照，关立军．基桩质量检测技术［Ｍ］．北　京：中国建筑工业出版社，２００３，１１．　［３］刘金砺，李大展，张雁．桩基设计施工与检测［Ｍ］．北京：中　国建材工业出版社，２００１，５．