低应变反射波法检测灌注桩技术探讨

　　摘 要：桩基的质量具有高度的隐蔽性，低应变反射波法作为基桩完整性无损检测方法之一，以其经济、便捷等优点被普遍应用。本文简要介绍低应变反射波法的原理、桩身缺陷位置的确定、桩身完整性的判定以及一些典型实例的分析。 　　关键词：低应变反射波法；灌注桩；检测 　　桩基属于隐蔽工程，为保证桩基安全可靠，质量检验是十分必要的。桩身完整性检测技术，通过几十年的发展，其检测方法取得了很大进步，由原来的单一性向现在的多样性转变。目前，用于桩身质量完整性检测的方法主要有低应变反射波法、高应变法、声波透射法和钻芯检测法。 　　低应变反射波法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置，它属于快速普查桩身质量的一种半直接方法。由于其具有设备轻便灵巧、野外数据采集快速方便、测试资料分析简单明了、测试费用低廉和检测覆盖面广等突出优点，它已成为基桩完整性检测中应用最为广泛的方法之一。经过多年的研究和应用，在工程界中已得到广泛应用并已纳入国家规范，成为保障桩基工程质量的有力手段。下文仅从低应变反射波法基本原理出发，在定性判别灌注桩桩身完整性的层次上探讨反射波法相位特征、波形特征、波阻抗变化等实用判据及典型工程实例，供基桩质量检测从业者参考。低应变反射波法检测流程图（见图1）。 　　一、低应变反射波法基本原理 　　1.时域分析原理 　　垂直入射的应力波在桩内传播过程中。当桩身存在波阻抗差异界面时，在界面上将产生反射波和透射波，反射波将沿桩身反向传播到桩顶，而透射波继续向下传播（见图2）。 　　当桩身几何尺寸或材料物理性质发生变化时，相应的P、Vc、A发生变化，其变化发生处称为波阻抗界面。将波阻抗的比值表示为： 　　（1） 　　式中：n为波阻抗比。 　　根据应力波传播理论： （2）， 其中 （3） 　　式中：F为反射系数；T为透射系数。 　　式（2）、（3）就是低应变反射波法反射波与入射波的速度相位关系式。 　　以完整桩的首次桩底反射时间 来计算该桩的平均波速： （4） 　　式中：L为完整桩桩长（m）； 为完整桩底板射波的传播历时（s）。 　　通常使用同一工程内多根完整桩桩身波速平均 值来计算缺陷位置： 　　（5） 　　式中： 为缺陷位置（m）； 为缺陷处反射波的传播历时（s）。 　　2.频域分析原理 　　对于完整桩，相邻两阶谐振峰间的频差： （6） 　　对于纯摩擦桩和纯端承桩，理论上为精确值；对一般支承桩，频差并不严格保持等间距，但趋近于常数 /2L。 　　如果桩身存在缺陷，应力波在桩顶与缺陷处来回反射，出现缺陷频率谐振峰，相邻两阶谐振峰的频差为： （7） 　　式中：Lt为缺陷距桩顶的距离（m）。式（6）及式（7）即是频域法判别依据。 　　二、实用判别依据及工程实例 　　一般来说，对于完好的桩，采集的速度时程曲线是规则的。如果测试曲线存在明显的或者复杂的变化特征，可归结为桩身截面积变化、桩身材料变化、桩周土阻力变化所造成的。突变的信号与桩身阻抗的突变有关；而渐变范围较大的反射信号则与桩周土层阻力有关。在实际使用过程中，应结合工程地质条件、施工记录以及实践分析经验，应用反射波法基本原理分析反射波的相位、频率、振幅、频率波的到达时间等特征，才能对桩身的完整性作出准确判别。灌注桩常见缺陷和不同的支承条件下桩底的反射相位及波形特征见表1。 　　1.完整桩 　　某工程钻孔灌注桩，桩径 ，桩长49m，桩身混凝土强度等级为C25，持力层为砾砂层，实测曲线（见图3）。反射波波形规则，波列清晰，波速正常，桩底反射明显，易于读取反射波到达时间，桩身介质均匀，无缺陷，及桩身混凝土平均波速较高，底反射清晰为同相，混凝土波速为3270m/s，时域△T=29.5ms，计算桩长为48.2 m，施工桩长与计算桩长相符，表明桩身完整，定为I类桩。 　　2.有缺陷的钻孔灌注桩 　　（1）缩径。缩径桩反射波形比较规则，缩径处截面变小，波阻抗减小，应力波遇到缩径会产生与人射波同样的发射，波形比较规则；由于阻抗不大，一般都能看到桩底反射信号；若缩径处较浅，缩径处的反射还会出现有多次反射，若缩径程度较严重，则难以看到桩底反射。 　　某工程钻孔灌注桩，桩径 ，桩长20m，桩身混凝土强度等级为C25，混凝土波速为3200m/s，持力层为卵石层，桩底有反射为反相，时域△T=12.3ms，在8m处局部缩径，定为Ⅱ类桩。实测曲线（见图4）。 　　钻孔灌注桩特别是大直径钻孔罐注桩由地层、施工等原因而造成缩径，由于有钢筋笼作用，大直径的钻孔罐注往往是一端扩、另一端缩，这种成桩工艺原因对承载力的影响不大，判定其质量等级以Ⅱ类桩居多。 　　（2）断裂。浇灌时将导管拔出混凝土面，管底密封不好而进水，钢筋笼上浮；浇灌完成后，桩身混凝土终凝前受外界因素作用断裂；或两次灌注时间过长形成断层，或成桩质量虽好但因受外力冲击作用造成桩身断裂。 　　有断裂缺陷的桩一般表现为夹杂一层阻抗较低的介质，反射波到达时间小于桩底反射波到达时间，且波幅较大，在波形曲线上形成同相反射，往往出现多次反射，间隔时间相等，第一次发射脉冲较高，前沿比较陡峭，波幅减少。由于断裂处的应力波能量难以下传，一般难见断裂以下部位较大缺陷及桩底反射波。 　　某工程钻孔灌注桩，桩径Ф800，桩长43.35m，桩身混凝土强度等级为C30，混凝土波速为3300m/s，持力层为中风化泥岩层，检测发现在10m处多次同相反射，第一个反射脉冲幅值较高，实测曲线（见图5），判定为Ⅲ类桩。检测后对该桩进行开挖，在桩头截取6m处后再进行检测，实测曲线（见图6）。4m处的缺陷更明显，继续开挖到9.5 m时，桩身出现厚约10～15毫米的夹泥层。 　　（3）离析。离析主要表现为混凝土密实性差，或骨料、水泥相对集中，主要是由混凝土配合比不当、搅拌及振捣不匀、灌注时受地下水的影响等引起。桩身混凝土严重离析时，同相反射波不规则，后续信号杂乱，波速偏低，反射波幅减少，频率降低，一般可见以下部位较大缺陷及桩底信号。离析处介质的波速和密度较正常混凝土小，导致波阻抗降低，如离析面积较大，出现同相反射，与缩径类似，在大直径灌注桩离析面积在30%～50%之间，且有一定的厚度，先出现同相反射，后出现反相反射，反射脉冲幅值较高。一般离析处的反射波形不规则，后续反射信号杂乱，计算得到的波速偏小，一般不会掩盖桩身以下部位出现的较大的第二次缺陷信号或桩底反射。 　　某工程钻孔灌注桩，桩径Ф800mm，桩长18m，桩身混凝土强度等级为C25，混凝土波速为3200m/s，持力层为粘土层，20#桩发现在7m处同相反射，后续反射出现低频，实测曲线（见图7）。低应变反射波法检测完成后对该桩进行钻孔取芯，结果为在6.5～9.5m处无成形芯样，进尺很快，卡钻，混凝土严重离析胶结差。判定该桩为Ⅳ类桩。 　　（4）桩底沉渣过厚。桩底沉渣过厚的反射波波形一般较清晰，嵌岩钻孔灌注桩桩底反射为同相反射，还应注意与同场地的其他桩波形相比较。钻孔灌注桩由于清孔不力，孔底沉渣过厚，超过规定值时，使桩端与持力层不接触，降低桩端阻力。 　　某广场工程，采用钻孔灌注桩，桩径Фl000mm，桩长32m，桩身混凝土强度等级为C30，混凝土波速为3600m/s，持力层为中风化泥岩。该桩先进行单桩坚向抗压静载试验，原定最大试验荷载为11000kN，在荷载加到当该桩的试验荷载加至7700kN时，桩顶沉降量达到70.22mm，且桩顶荷载在1h内持续下跌，终止试验，桩头截去后进行低应变反射波法检测，实测曲线（见图8），在8m处反相反射信号为扩径，桩底信号明显为同相。判断该桩沉降突增是由于桩底沉渣过厚造成。 　　三、结语 　　低应变反射波法检测因快速有效，在灌注桩质量普查中应用广泛，随着检测经验的积累、理论的完善，检测仪器的改进，在桩基工程质量检测中反射波法必将发挥出更大的作用，取得更大的社会效益和经济效益。低应变反射波法检测值得研究及大力推广。