桩基检测中低应变反射波法应用的探讨

　　摘要：低应变反射波法具有快速、高效、准确的检测特点，本文结合工程实例，阐述了低应变反射波法检测原理、检测适用情况及检测现场注意事项，对检测结果进行分析总结。
　　关键词：低应变反射波法；原理；结果分析；桩基检测
　　1工程概况
　　某住宅楼基桩检测工程的基桩均为CFG桩,设计有效桩长13.5m,桩径500mm,桩间距分1900mm、2000mm、2050mm和2085mm不等。该场地在勘探深度内,自上而下分为,上部为厚度不等的人工填土,0～5m为冲积粉土、粉质粘土层,5～18m为Q4-2静水或缓流水沉积富有机质的粉土、粉质粘土层,18～28m为Q4-1冲积中细砂层,28～49m为Q3冲积粉土、粉质粘土和粉细砂层,49m以下为Q2冲积粉土、粉质粘土层。
　　2检测原理
　　结合实际工程经验及理论分析,笔者认为低应变反射波法在桩基检测过程中最大的优点在于其检测效率较其他检测方法高。目前,随着一维波动理论在理论研究中的运用以及试验室中对模型桩的试验检测,低应变反射波法检测桩基质量的准确性也不断提高。
　　低应变反射波法又叫应力波法,是以手锤或力棒敲击桩顶,给桩一定的能量,产生一纵向应力波,该应力波沿桩身向下传播,由传感器(速度型或加速度型)拾取桩身缺陷及不同界面的反射信号,通过检测和分析应力波在桩身中的传播历程,便可分析出桩基的完整性,并根据桩身突然变化界面时(如:桩底沉渣过厚、桩身夹泥、断裂、扩径或缩径等)所产生的反射和透射波,来确定桩身缺陷性质,估算桩长或缺陷位置,且根据应力波在桩身中的传播速度来推断混凝土的强度(见图2-1)。
　　
　　图2-1低应变反射波法现场检测系统图2-2土阻力波和阻抗变化对波传播的影响
　　由于目前工程中的桩基大多为混凝土桩,桩的长度远大于桩的直径,并且经试验表明,混凝土材料对应力波的影响很小,而桩周土阻力对应力波的衰减影响较大(如图2-2所示),因此可以将桩简化为一维弹性杆件,其应力应变关系为:
　　=E•ε(1)
　　或F=A•E•ε(2)
　　式中:E———桩的弹性模量;
　　A———桩身横截面积。
　　土阻力模型认为在动荷载作用下,桩土的总阻力R由静土阻力Rs和动阻力Rd组成。由于低应变试验冲击能量小,所激发的桩周土阻力也就很小,桩土体系变形在弹性范围内,因此可以假设净土阻力Rs与桩的质点位移u成正比,动土阻力Rd与桩的质点速度V成正比,即:
　　R=Rs+Rd
　　uk•u
　　J•V
　　采用上述桩土体系模型,假设桩长为L,横截面积为A,桩的弹性模量为E,质量密度为ρ,可将桩周土阻力简化为沿桩轴线分布的线性力。取桩轴线向下方向为x轴正方向,质点速度向下为正,压应力也为正。若桩变形时平截面假定成立,则桩中各运动参量只是深度x和时间t的函数,即有位移u=u(x,t),速度V=V(x,t),加速度a=a(x,t),力F=F(x,t),应变ε=ε(x,t)。于是可以推导出桩的一维波动方程为:
　　
　　式中,R=R(x,t)为沿桩轴线单位长度的土阻力;为桩的弹性波速。可以使用特征线法和离散数值法求解该波动方程,这即为低应变动力测桩中使用的反射波法。
　　3检测适用情况
　　根据一维杆件理论,桩顶处只要有足够能量的激励作用其上,均能接受到反射回来的波信号,即低应变法适用于各种类型的混凝土灌注桩的质量检测。但是现场检测及试验室模型桩试验研究的结果表明,当桩基直径过大或桩基长度较长时,低应变反射波法检测桩基质量的过程中激励的能量较难到达桩底,即较难接收到清晰可辨的桩底反射信号。关于低应变法检测桩基质量的适用情况,国内尚无统一的认识,这是由于不同的现场情况会影响到低应变法检测的结果。本文根据长期以来的桩基检测经验及试验室模型桩试验,得出以下几点结论:
　　a)就桩长和桩径而言,当桩基长度小于40m,桩径在2m以内时,通常能接收到清晰的缺陷反射信号及桩底反射信号(当缺陷程度较大而使力波在缺陷处产生较大衰减时也难以接收到桩底反射信号);
　　b)当桩周地质情况复杂,即地质情况随深度而多变时,采用的应变法检测桩基质量的准确性会降低,究其原因是桩周地质情况发生突变,即土阻抗发生变化时,同样会引起力波因土阻抗变化而产生反射,易与缺陷反射混淆;
　　c)对于嵌岩桩和桩底为岩质的摩擦桩,可能会出现这样的情况:由于桩底岩质地层密度与桩身混凝土接近,因而两者的波阻抗相近,此时当力波传递到桩底时不会发生反射而是继续向下传播,直至衰减为零;
　　d)对于变截面桩基的检测,不易采用低应变法,原因是桩基的截面变化会影响力波的垂直传播及反射,对波形的判别产生较大干扰。
　　以上几点结论并不能概括低应变法检测桩基质量的所有情况,仅为笔者从实践经验中总结出的一些典型情况。
　　4检测结果分析
　　4.1对于无完整性缺陷的桩基波形分析
　　对于无完整性缺陷的桩基而言,当激励作用在桩顶时,传感器首先会接收到一个清晰的入射波,由于桩身无缺陷,即不会产生桩身的力波反射,此时力波按照一维弹性杆件传递至桩底,由于桩底地层与桩身混凝土之间的阻抗发生变化,会产生一个反射波(桩底地层阻抗较桩身大时反射波波形与入射波反相,反之同相)。
　　4.2缺陷桩分析
　　在利用低应变反射波法检测桩基质量的过程中,常见的缺陷类型有:缩径、离析、裂缝、蜂窝、空洞、夹泥、断桩等,鉴于对桩基承载力的影响情况,一般不将扩径作为缺陷处理。本文为探讨低应变反射波的形式,将扩径反射与其他缺陷反射一同罗列以便于比较分析,如图4-2所示。
　　
　　图4-2缺陷桩反射波图
　　由图4-2可知:
　　a)图中波形(1)为完整无缺陷桩的时域波形信号,可以看出在桩身长度范围内无异常反射波;
　　b)图中波形(2)波为浅部存在缺陷的桩基时域波形信号,其特点是:首先会产生一个与入射波同相位的反射波(由缺陷的第一个界面引起),接着有一个与入射波反相位的反射波(由缺陷的第二个界面引起),由于浅部距桩顶距离较近,缺陷反射又可能会产生二次反射(力波在同一缺陷位置发生两次反射),第二次反射波形态与第一次完全相同;
　　c)波形(3)为深部缺陷反射,情况和波形(2)基本相同,只是在接收到桩底反射前无二次缺陷反射;
　　d)波形(4)为桩身出现扩径时的时域信号,扩径处的反射波与入射波反相位相同(扩径面第一次反射),接着有一个与入射波同相位的反射波(扩径面第二次反射),无论是缩径还是扩径,第二次反射的波形形态都完全相同。
　　断桩属于严重的质量缺陷,低应变法检测桩基质量的过程中,力波会在断桩处产生反射并在此处不会继续向下传播或只有很轻微的力波能够穿过断桩部位继续向下传播,此时传感器接收到的信号可能不会表现出入射波、桩底反射波、缺陷反射波三部分,而仅反映出入射波与同入射波同相位的一个反射波。如何判断此反射波是缺陷反射还是桩底正常反射就需要检测工程师格外注意,一般来说可以先将此反射波临时判为“桩底反射”,然后依据桩顶入射波和“桩底反射波”之间力波传播的时间计算出桩的长度,若计算所得长度与桩基的设计长度吻合即可以判为合格桩;若计算长度明显小于桩基的设计长度则说明反射发生在断桩处。
　　需要特别指出的是,对于图4-2中波形(2)、(3)反映的缺陷波时域分析图,缩径、离析、裂缝、蜂窝、空洞、夹泥都可能出现类似的形态,因此利用低应变反射波法判别缺陷的具体类型,就目前的技术而言尚存在一定的困难,只能根据实际工程情况及检测工程师的经验综合而定。
　　5现场检测中的注意事项
　　5.1激振问题
　　理论分析和实践经验表明,激振技术是反射波法完整性检测的重要环节。在检测时,通常使用瞬态激振,最简单的方法是用手锤或力棒激振。在检测时提高激振脉冲波的频率,可以提高分辨率;但高频波对长桩不易获得桩底反射,因此应该用频率较低的脉冲波来获得桩底反射,再用高频波来检测桩身上部的缺陷。另外一个要注意的问题是激振的能量要适中,并不是能量越大越好。激振时要干脆、利索,以使每次的激振波形基本一致,有利于对比分析。
　　5.2传感器与粘结剂的选择
　　传感器是基桩检测的“眼睛”,它的频响特性、阻尼大小、灵敏度和动态范围等对实测波形的影响非常大。反射波法对传感器有特殊的要求,因此传感器的量程范围和动态范围要足够宽,要有较高的灵敏度,有良好的阻尼特性。在通常情况下,我们可用不同特性的传感器多测几组曲线,通过对比进一步提高分析精度。
　　在传感器性能较好的情况下,必须选择好的粘结剂,使传感器与基桩得到较好的耦合。目前常用的粘结剂有石膏粉、橡皮泥、蛇皮膏、黄油等。此外,有些技术人员还使用咀嚼后的口香糖作为粘结剂。在这些粘结剂中,石膏粉粘结的耦合频率较高,而后几种的耦合频率较低。应该注意的是，当桩头较湿时,采用橡皮泥和蛇皮膏粘结剂粘结的效果不是很好,此时最好用石膏粉。
　　5.3桩头的处理
　　灌注桩的桩头往往有一定厚度的浮浆,特别是人工挖孔灌注桩,浮浆严重影响检测效果,因此在检测时必须将浮浆打掉,同时保持桩头平整。此外,预制桩在贯入过程中桩头可能产生破损,灌注桩在破除浮浆时也可使桩头产生破碎,使弹性能量快速衰减,严重时使激发的脉冲波不规则,严重影响检测效果,甚至造成误判现象。因此,在检测时必须格外注意桩头情况。
　　5.4辅助资料的收集
　　在进行基桩检测时应该注意辅助资料的收集。辅助资料包括岩土工程勘察报告、灌注桩的成孔工艺、成桩机具和工艺、桩基施工记录及开挖情况等。结合辅助资料来分析桩身的缺陷类型。
　　5.5提高信号判读的正确性
　　现场检测时,采集的信号是否可靠直接影响桩身完整性的判定。应在检测现场即时对信号是否可靠作出判断,发现问题及时查明原因采取措施后重测。观察不同的传感器或不同的激振点所获得的时域波形,主要特征是否相同,特别是频域共振峰的特征是否相同。在瞬态激振试验中,重复测试的次数应大于4次,若这些特征都是基本相同,说明信号充分反映了桩身情况,分析时就不会导致错判和漏判。
　　6 结束语
　　就目前国内的技术状况及实际工程情况而言,笔者认为,利用低应变反射波法简便、快捷、高效的检测特点,辅以超声透射法或钻芯法检测,可以避免误差,提高检测的精确度，可以在较短的时间内完成大量检测工作,是基桩无损检测的一种重要方法。