应用反射波法对桩基进行检测
[摘 要] 介绍了反射波法桩基低应变检测的原理、方法、步骤及
应注意的问题，分析了应力波在各种桩基缺陷情况下的时域曲线特征，并介绍了各种情况下的判读方法，为正确判断基桩的完整性提供科学依据。
[关键词] 基桩 低应变 反射波法
1.发展现状
基桩低应变检测技术近20年来我国发展较快，由于它的适应范围广、仪器设备轻便简单、检测速度快、判读直观、成本较低，已被工程界广泛接受。低应变法是利用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围内作弹性振动，利用振动和波动理论检测桩身结构完整性。
1995年底出台了《桩基低应变动力检测规程》（JGJ/T93—95），该规程规定的检测方法有反射波法、机械阻抗法、动力参数法和声波透射法。以反射波法为例介绍基桩低应变检测技术的方法和步骤。
2.基本原理
桩身质量检测是依据一维波动理论，将桩身等价于一维杆材料均质各向同性，并遵循胡克定律，桩的截面积保持为平面，而且每个截面上应力是均匀分布的。
设桩为一均质弹性体，当桩顶作用一脉冲力后，便有应力波沿桩身传播，若桩身质量有问题，存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生发射和透射。经接受放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的发射信息，据此判断桩身结构完整性及估计混凝土强度等级，还可以根据波速和桩底反射波到达时间对桩身的实际长度加以核对。
3.适用范围
反射波法适用于检测桩身混凝土的完整性，推定缺陷类型及其在桩身上的位置。也可对桩长进行核对，对桩身混凝土的强度等级作估计。
4.仪器设备
（1）仪器由传感器、放大、滤波、记录、处理和监视系统，激
振设备及专用附件组成。
（2）传感器可选用宽频带的速度型或加速度型传感器。速度型传感器灵敏度应大于300mV/cm/s，加速度型传感器灵敏度应大于100mV/g。
（3）放大系统的增益应大于60dB,长期变化量应小于1%。折合输入端的噪声水平应低于3uV。频带宽度应不窄于10～1000Hz，滤波频率可调整。
（4）模数转换器的倍数不应小于8bit。采样时间宜为50～100us，可分数档调整。每个通道数据采集暂存器的容量不应小于1Kb.
（5）多通采集系统应具有一致性，其振幅偏差应小于3%，相位偏听偏信差应小于0.1ms。
（6）根据激振条件试验要求及改变激振频谱和能量，满足不同的检测目的，应选择符合材质和得量要求的激振设备。目前反射波法使用的激振设备形式多样，有力棒、手锤、球击、电火花方式等。
5.测试方法
（1）被测桩应凿去浮浆，平整桩头，切除桩头外露过长的主钢筋。
（2）检测前应对仪器设备进行检查，性能正常方可使用。
（3）每个检测工地均应进行激振方式和接受条件的选择试验，确定最佳激振方式和接受条件。因为不同工区桩的类型、桩径大小、桩头混凝土质量、土层地质情况等条件差异较大，检测时，对激振和接受的最佳条件选择只能通过现场试验对比来确定。通过调节放大器增益，使波形不产生畸变，改变滤波频率提高分辨率和信噪比。
（4）激振点宜选择在桩头中心部位，传感器宜稳固地安置在桩头上。对于桩径大于350mm的桩可安置两个或多个传感器。
（5）当随机干扰较大时，可采用信号增强方式，进行多次重复激振与接受。
（6）为提高检测的分辨率，应使用小能量激振，并选用高截止频率的传感器和放大器。
（7）判别桩身浅部缺陷，可同时采用横向激振和水平速度型传感器接受，进行辅助判定。
（8）每一根被检测的单桩均应进行两次及以上重复测试。出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试。重复测试的波形与原波形具有相似性。
6.检测数据的处理与判定
（1）应根据波形图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达进间等特征，推定桩的完整性。
（2）桩身混凝土的波速Vp、桩身缺陷深度L可分别按下列公式计算：
Vp=2L/t,L=1/2Vpmt′
式中：L——桩身全长；
t——桩底反射波的到达时间；
t′——桩身缺陷部位反射波的到达时间；
Vpm——同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值。
（3）反射波波形规则，波列清晰，桩底反射明显，易于读取反射波到达时间，及桩身混凝土平均波速较高的桩为完整性好的桩。
（4）反射波到达时间小于桩底反射波到达时间，且波幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射波的桩，系桩身断裂。
（5）桩身混凝土严重离析时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。
（6）缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判别。
（7）当有多处缺陷时，将记录到多个相互干扰的反射波组，形成复杂波形。此时应仔细甄别，并结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析。有条件尚可使用多种检测方法进行综合判别。实践证明，离桩顶第一个缺陷的判别要十分仔细慎重。
（8）桩身浅部断裂的定性主价，可通过横向激振，比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。存在浅部断裂的桩，在进行横向激振时，有自振频率降低，振幅较大，衰减历时增加及波形不规则等现象，在一定实践经验基础，可对桩身浅部断裂做出定性评价。
（9）在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。
（10）桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。
7.反射波法测桩应注意的几个问题
（1）桩头的处理
桩头处理的好坏，对波形采集的正确与否有直接的关系。桩头浮浆使波难以下传，对测试结果影响较大。此外主钢筋外露过长，也会产生谐振干扰。因此，凿去浮浆，平整桩头，露出坚硬、新鲜的砼，锯短桩头上的钢筋等工作，是很有必要的。
（2）桩、传感器、振源的匹配
不同的桩土体系有不同的固有频率，而同一桩土体系，其频率范围在不同深度也不一样。桩的浅部频率高，随着桩的部位越深，对应的频率范围就越小。因此，根据不同的频率范围有目的地采集波形，反映不同深度的缺陷非常重要。一般地，深部及柱底频率在0～200Hz；中部在0～500 Hz；浅部在0～2000 Hz。
从传感器的频响曲线来看，在其固有的可测频率范围内，呈线性，超过了可测范围，就不是线性的了，接受的信号也会失真。因此，传感器频响曲线中的线性范围应覆盖整个测试信号的主体频率范围，即选择的传感器可测频率范围能够满足桩土体系的固有频率范围。
如何产生振源，使浅部缺陷的高频和中部、底部缺陷的低频信号能正确地反映出来，是非常重要的。振源频率主要与敲击桩头的材料硬度有关，同时，还与碰撞速度、碰撞物的质量和结构以及碰撞接触面积有关。因此，根据不同的桩土体系，不同的缺陷部位和不同的传感器，采用不同的振源。选用速度传感器，如采用铁锤，可重点采集浅中部缺陷的信号；如采用橡胶锤，可采集深部缺陷、长大桩的深部及桩底的信号。选用加速度传感器，可重点测5m以内浅部缺陷，用橡皮锤与之配套，效果较好。同时，每一信号，反复测试几次，如信
号的重复性很好，则采集的信号正确，予以保留。
（3）成土层的影响
在对应力波时程曲线的分析中，不仅应考虑桩体本身材料、刚度以及缺陷的影响，同时受到桩侧土模量大小的制约。一般来说，桩侧土力学性质越好，应力波在桩侧土中损耗越大，在层间硬土层将会反映为似扩径的子波叠加，相反如软夹层将会由于应力波透射损耗小而产生似缩径的子波叠加。因此在进行测桩时应考虑场地的地层地质条件综合判定。
（4）桩底反射的确定
一般情况下，均能找到桩底反射，但有时就找不到桩底反射，情况之一是缺陷大，淹没了桩底反射；另一种情况是桩持力层与桩阻抗匹配得好，也无桩底反射。如嵌岩桩与基岩嵌固程度好，无桩底反射。因此在分析时应充分利用地质资料，施工记录等资料来分析确定，以免产生误判。
（5）桩波速与桩砼强度
目前，提供桩砼强度的依据，主要是桩波速。但将波速作为评价桩砼强度的指标，有一定的差异，表中将不同强度砼强度的波速特征值及范围作为低应变评价桩砼强度的依据，仅作为参考值。
8.结束语
桩基的动测是一门新科学，在对检测曲线判断时，应该综合地质条件、施工工艺、应力波传播机理、桩侧土和桩尖的力学指标，以及激振材料能量，传感器性能、类型、仪器参数等各种因素综合判断，才能得出符合实际情况的解释。
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