低应变反射波法在钻孔灌注桩检测中的应用
摘要:桩基属地下隐蔽工程，对桩基进行检测是发现桩基础质量问题、排除工程隐患、确保工程质量的重要措施，因此，必须重视桩基的检测。本文阐述了低应变反射波法的判定依据及应用过程中的注意事项，并结合应用实例，对检测钻孔灌注桩的结果进行了分析，可供类似工程参考借鉴。
关键词:反射波法；基本原理；钻孔灌注桩；判定依据；缺陷波形；检测 随着我国城市建设的发展，在沿海软土地的工程建设中，钻孔灌注桩凭借着质量优、承载能力强、造价低廉的优点而被广泛应用。但钻孔灌注桩从钻孔开始到完成混凝土的灌注要经过多道施工工序，受地质条件、施工管理、机械设备、技术水平、原材料及配合比等因素的影响很大，在施工过程中稍有不慎极易发生断桩事故或出现严重缺陷。由于桩基深埋于地下,隐蔽性极强，极难发现质量问题，因此，为确保工程质量，桩基检测就显得尤为重要。桩基检测方法一般有静载荷试验、钻孔取芯法、反射波法。低应变反射波法因其具有检测快速、仪器轻便、测试成本低廉、测试周期短、测试信号分析简单、对桩身无损,非常适用于检查桩的完整性，检测是否存在缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣等缺陷。
1检测原理
低应变反射波法以一维波动方程为理论基础，把桩简化为一维弹性均质直杆、纵向振动模型，通过桩顶瞬态激振，给予桩身纵向应力波，应力波在沿桩身向下传播过程中，当遇到桩身混凝土波阻抗发生变化时，如桩身几何尺寸(缩、扩颈)、截面材料物理性质变化(离析、夹泥)等，纵向应力波在其界面就会产生入射、反射及透射。因此，根据入射、反射及透射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征即可判定桩身混凝土的完整性、缺陷程度及位置范围。
2成桩完整性判定
2.1判定依据
根据应力波在杆纵向传播遇波阻抗发生变化时，在其界面将发生入射、反射和透射，其波速与波阻抗之间存在下列关系:
Vr=－FVi
Vt=ΨTVi(1)
式中，Ψ=(ρc1Vc1A1)/(ρc2Vc2A2)，为2种介质的波阻抗比；F=(1－Ψ)/(1+Ψ)，反射系数；T=2/(1+Ψ)，透射系数；Vc、ρ、A为2种不同波阻抗发生变化处质点运动速度、密度和截面面积；Vi、Vr、Vt分别为入射、反射和透射波波速。
2.2缺陷类型
由式(1)可知，Ψ、T恒为正，即透射波和入射波方向始终一致。下面通过讨论反射系数F的变化来讨论反射波的情况，并结合地质、施工资料及波形特征等因素来判定桩的缺陷类型。
2.2.1无缺陷桩
完整性良好的桩因介质、截面均匀，无波阻抗变化，不发生波的反射，即Ψ=1，F=0，则有Vr=0、Vi=Vt，说明质点以不变的波速向前传播。
2.2.2有缺陷桩
(1)Ψ＞1，即ρc1Vc1A1＞ρc2Vc2A2，则F＜0，即反射波与入射波同相位。其中又分为以下两种情况:
①若A1=A2，则ρc1Vc1＞ρc2Vc2，即桩身截面积不变，则应力波由密度大、传播速度快的介质向密度小、传播速度慢的介质传播，桩下部发生了断桩或离析；
②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，则A1＞A2，即桩身材料性质不变，则桩身截面发生了变化，应力波由截面积大向截面积小的方向传播，桩发生缩颈。
(2)Ψ＜1，即ρc1Vc1A1＜ρc2Vc2A2，则F＞0，即反射波与入射波反相位。其中又分为以下两种情况:①若A1=A2，则ρc1Vc1＜ρc2Vc2，即桩身截面积不变，则应力波由软材料向硬材料方向传播；②若ρc1Vc1=ρc2Vc2，则A1＜A2，即桩身材料性质不变，则桩身截面发生了变化，应力波由截面积小向截面积大的方向传播，桩发生扩颈或桩底嵌固。
2.3缺陷位置的判定
桩身缺陷位置按下列公式计算 (2)
式中—测点至桩身缺陷的距离，m；
Δt—时域信号第一峰与缺陷反射波峰间的时间差，ms；
—幅频曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差，Hz；
Vc—桩身波速，m/s，无法确定时用桩身平均速度替代。
3 应用中的注意事项
如何获得真实的实测波形图，成为反映桩身施工质量的关键。为尽量避免干扰波的影响，在检测中应注意以下事项。
3.1桩头处理
桩头混凝土不密实，会导致激振信号振荡，所采集波形与浅部缺陷波形类似，以致形成误判。因此，桩顶应凿至坚硬、密实、新鲜混凝土面并打磨至水平。
3.2传感器的耦合
传感器可用黄油、橡皮泥、石膏等材料耦合，粘结应尽量薄，且安装后的传感器必须与桩顶面垂直、牢固、不得有裂缝或浮动砂砾存在，以免影响信号的真实性。
3.3激振点及传感器位置
实践证明，对于钢筋混凝土灌注桩，以桩中心为激振点、距中心点2R/3处为传感器安装点，能更好的获得反映桩的真实波形，避免因激振点与安装点距离过近而出现负向反冲波，进而掩盖桩身浅部缺陷，给分析带来困难。
同时，激振点及传感器位置应避开钢筋笼主筋的影响，避免由钢筋笼主筋与素混凝土交界面处因波阻抗变小而误判为断桩或离析。
4工程应用实例
4.1工程概况
某道路DK365+676.48～DK365+739.50路基段DK365+729.50～DK365+739.50采用C20钻孔灌注桩加固，共40根，桩长3.0～11.0m，桩径0.6m，桩间距2.0m，按正方形布置，桩体配8根HRB335φ16mm钢筋笼，其长度由桩顶进入桩体不小于5m(桩长＜5m时，钢筋笼长度按实际桩长计)，单桩承载力设计值为511kN。桩体伸入地层共2层，分别为全、强风化千枚岩，σ0=200～300kPa，地下水为基岩裂隙水，不发育。
4.2检测方案
本次桩基完整性检测设备采用RSM-PRT低应变仪，传感器为加速传感器，耦合剂为黄油；凿去被检测桩桩顶浮渣，直至露出坚硬、密实的新鲜混凝土面，打磨至水平；激振点位置选择在桩顶中心，每根桩呈“十”字形在2R/3处布置4个检测点，确保每根桩检测点所检测的有效信号点数均大于3个，如图1所示。
图1激振点及传感器安装点布置示意
4.3数据分析
本次共检测桩4根，并通过所配套的时域分析软件对数据进行处理分析。对所检测桩中具代表性波形分析如下。4－3号桩设计桩长7.0m，测设波形如图2所示。
图2无缺陷波形
图2中波形曲线平滑，2L/Vc时刻前无缺陷反射波，且桩底反射波明显，Δt=3.11ms，Vc=4676m/s，由式(2)计算L=7.27m，与设计桩长吻合，则桩结构完整性良好。
3－2号桩设计桩长9.0m，测设波形如图3所示。
图3缺陷波形
由图3可知:Vc=3262m/s，波形曲线在2L/Vc=5.52ms时刻前出现轻微缺陷反射波，且桩底有弱反射波，Δt=5.90ms，由式(2)计算L=9.60m，与设计桩长基本吻合。缺陷波出现位置处传播时间差为Δt=2.02ms，则l=3.30m。根据反射波同相位、桩底有弱反射波，可判定距桩头3.30m处存在离析或夹泥，与在此处灌注时换混凝土罐车的施工记录相吻合。
5结束语
通过检测实践，我们发现，低应变反射波法虽然简变、快捷，可以较准确的检测桩是否发生缩颈、扩颈、断桩、离析等缺陷，还可进一步确定缺陷的程度及位置范围。但同时，应用中也需要检测人员不但掌握检测方法的基础理论，熟悉仪器操作及数据采集，了解测试方法的局限性，注重实践经验的积累、有丰富的经验才能做出正确的判断。
参考文献
[1] 张冬美.低应变反射波法在桩基检测中的应用[J].山西建筑.2010年第06
期
[2] 冯翠梅.浅析低应变反射波法在桩基检测中的应用[J].建筑知识.2011年08期
