樁基檢測中低應變反射波法的實踐應用

摘 要：費用低、檢測速度快和檢測覆蓋面廣等優點的低應變檢測在基樁完整性檢測中的應用十分廣泛。在低應變檢測中，又以發射波法應用較為普遍。依據低應變反射波法工作的基本原理和大量的實踐經驗，總結了該方法在測樁基結構缺陷時的反射波特征等，以確定缺陷類型。

關鍵詞：樁基檢測；低應變反射波法；實踐；應用

引 言

隨著我國客運專線、高鐵、地鐵的興起，大型的鐵路運輸橋梁也越來越多的被修建，采用樁基礎的橋梁形式也越來越普遍。然而這就要求對樁的質量、可靠性進行檢測，然而檢測中使用最普遍的還要數低應變反射技術。

1 低應變反射波法的基本原理

反射波法檢測技術是以一維波動理論為基礎的。當入射的波長大于樁徑即、樁長大于樁徑即：λ>D、L>D時，基樁可以視為一維彈性桿件。如果我們在樁頂施以激振力，基樁中會激發出彈性壓縮波，這一縱向彈性應力波具有波的特性，遵循波的傳播規律，它以速度C沿樁身向下傳播。根據一維波動理論我們可以得知，彈性桿中的波阻抗是表征介質材料在動荷載下力學特征的基本數據，它是彈性趕件的橫截面積、材料密度和材料彈性模量的函數即：Z=E·A/C=ρ·C·A。式中：Z-波阻抗（N·S/m）；C-應力波波速（m/s）；E-彈性模量（N/m2）；ρ-材料密度（kg/m3）；A-橫截面積（m2）。應力波沿著樁身向下傳播，依據波的傳播規律，當樁身的介質發生變化即樁身波阻抗發生變化時，應力波將在介質的分界面上產生反射與透射。具有速度快、成本低和適用性強等優點的低應變反射波法，在各類工程檢測中具有十分廣泛的應用，其反映宏觀的工程質量，是無法被其他技術所取代的。其工作原理是通過重力錘在樁頂施加豎直向下的壓力，脈沖以波的形式在樁體進行傳播，傳播過程中波遇樁體發生變化，通過安裝在樁頂的應力傳感接收器接收應力波的變化，從而斷定樁身是否完整。

2 現場實踐檢測

用樁基作為基礎的某建筑群，其人工挖孔樁456跟。灌注樁837跟。上部結構是多層房屋時用的是灌注樁，混凝土采用強度C30的混凝土，樁長12m，樁徑0.8m；當上部結構是大空間的廠房時，樁基礎用的是人工挖孔樁，除樁長為15m，其他條件同上。

2.1 檢測所具備的條件

（1）樁基的設計圖紙、施工現場的地質資料、樁基的施工記錄、樁基的分布圖。

（2）檢測儀器：電腦主機、力錘、儀器電量、加速度傳感器接線頭運行是否正常，耦合劑等是否安全。

（3）參數的設定：打開儀器，選擇測試模式，輸入工程名稱、樁號、樁徑、樁長、波速等一系列參數。

（4）加速計的放置：把加速計放置于提前磨平的樁頂位置處，用耦合劑將其粘貼牢。

（5）樁頭的處理：用工具將樁頂的浮漿鑿去，露出樁體的混凝土面。

2.2 測試數據的收集和分析

依據實踐得出的數據以及檢測過程中出現的一些問題，以下對影響檢測的因素進行了具體分析。

2.2.1 樁頭的處理及平整度的影響

樁頭的處理，在現場信號的采集過程中是十分關鍵的。要想采集到較為理想的數據（波形），就必須對樁頭進行細致的處理，不然就會為后續的數據處理帶來麻煩。通常常見的是樁頭浮漿清理的不干凈，收集到的波形不理想，不能客觀地反映樁身的完整性。

如圖1（a）為未清理浮漿前收集到的波形，可以看出樁頭松散，只有這種情況才會產生這種震蕩波形。圖1（b）是浮漿清理后的收集到的波形，清理后震蕩波形消失了，可以看出樁體有輕微的擴徑，樁體缺陷部位體現得十分清楚，此波可取。

操作時的建議：樁頭應露出含骨料的混凝土面層，傳感器的粘貼位置與敲打的位置要打磨平整、敲擊時不要敲碎、弄完后要處理干凈。若敲擊時敲擊處出現破碎等情況，要重新打磨另一敲擊點。

2.2.2 錘擊位置對檢測的影響

實心樁的激振點要選擇在樁中心位置。但是在檢測過程中，錘擊位置不能總完全定位在樁中心位置處，以下為不同錘擊位置檢測比較。圖2為不同錘擊點對波形的影響。

對比以上兩種波形：①錘擊點在中心，波峰到波峰所用時是△t=6.22ms，C30混凝土中應力波的傳播速度為v=3800m/s，依據公式可得出L=11.818m，與設計的樁長12m的相對誤差是12-11.818/11.818=0.0154其誤差值在5%以內，所以滿足要求。②當錘擊不在中心時，波峰到波峰所用時是△t=6.31ms，C30混凝土中應力波的傳播速度為v=3800m/s，依據公式得出L=11.989m，計算同上可得出相對誤差為0.0009，其也滿足要求。錘擊樁中心和不錘擊樁中心的相對誤差11.989-11.818/11.818=0.145p0.05依據此原理可得出錘擊位置不同，雖然出現一些誤差，但是這些誤差都在循序范圍以內，不會影響樁身質量的優劣判斷。

依據以上分析表明：錘擊的位置對波形的收集影響很小，若果在實際檢測中應該按照要求選在樁的中心處。樁的頂面應該自由、密實、平整。

2.2.3 錘擊速度對檢測的影響

錘擊速度的快慢決定能量的大小。如果速度慢，則能量小，應力波就相應的衰減，因此就看不到樁底反射與樁下部缺陷；若果速度快，則能量大，但是錘擊速度過快就會出現樁頂混凝土酥松現象。實際檢測過程中，依據多次反復試驗，最終測得錘擊速度對檢測波形的收集同樣存在影響。圖3為不同錘擊速度下的波形圖。

綜上所述：錘擊速度沒有太大的影響，曲線成大致相同的趨勢，實際檢測過程中，應根據檢測的條件調試合適的速度。

2.2.4 加速度傳感器粘貼位置對檢測的影響

反射波法對傳感器有特殊要求.傳感器和激振點要保持較近的距離，用來記錄幾十米長的樁身反射信號，與此同時，強烈的激振信號不會產生畸變。因此傳感器必須要有足夠的量程與良好的阻尼特性。我們所檢測的基樁，由于其材料特性及激振條件，要求接受到的信號頻率在100Hz-1.5Hz之間。如果要記錄滿意的波形信號，就必須在良好的激振條件和適應的檢波器的結合下才能實現。常用的速度的諧振頻率一般為F=5Hz-40Hz，帶寬10Hz-2KHz，符合波形記錄條件的要求。實際檢測過程中將速度傳感器與加速度傳感器對比檢測。檢測結果表明，速度傳感器得到的波形曲線對淺層缺陷反應影響不太明顯，高靈敏的加速度傳感器得到的波形曲線無震蕩而且缺陷很明顯。

《建筑樁基檢測規范》JGJ106-2003[2]8.3.3第二條要求“測量傳感器安裝位置宜為距樁心2/3半徑處”。實際檢測過程中進行多次反復檢測，會發現當傳感器在樁徑的1/2R～2/3R范圍時，得到的波形曲線是直觀可行的，能將樁體的缺陷直觀的表達出來。

圖4是傳感器粘貼位置影響下的波形圖。設計樁長，檢測樁長的對比值呈現在表1中。

綜合表1與波形曲線的參數得出，1/2R～2/3R范圍內的波形表達的信息比較全，缺陷位置清晰明了。在1/2R～2/3R范圍以外的波形也有樁底反射，但是不夠明顯，而且缺陷表達的也不夠清晰。

2.2.5 錘頭特性對檢測的影響

錘擊的過程中有兩種不同的錘頭，柔性錘頭與剛性錘頭。柔性錘頭可以產生比較寬的初始波，對樁底反射很有利，但是會降低樁身缺陷的分辨率；剛性錘頭可以激發出高頻脈沖波，對淺部缺陷處的分辨率有較好地提高，但是容易衰減高頻波。

錘擊會產生質點的震動，質點震動則會形成波動傳播，而波動傳播在樁頭周圍可以近似作為半球波面，遠離樁頭則可近似作為平面波，檢波器接受的恰好為平面波。因此，為了可以高效的識別淺層處的缺陷，工作人員應該適當地提高激振脈沖波的頻率來增強分辨率，如果發現淺層部位的信號發生異常，應該立即用剛性錘頭和柔性錘頭共同進行激振，這樣可以更加清晰地識別淺層缺陷。

3 結束語

樁基工程為地下工程，所以工作人員需要規范操作。樁頭的處理比較重要，應該盡量避免浮漿清理不完全帶來的影響；錘擊的位置應該按照要求來選擇，若果出現障礙可以根據實際情況進行調整，錘擊的位置和粘貼傳感器的位置應當平整，適當的提高速度，這由工作人員把握；運用加速度傳感器收集波形時，粘貼要牢固且位置應選在1/2R～2/3R范圍內；應用柔性錘頭檢測時，可以根據實際檢測的情況，選用剛性錘頭相結合，最終更清晰的識別淺層缺陷。低應變反射波法是一種基樁質量無損檢測方法，實際的檢測工程中有著其自身的優越性，與此同時，又存在著局限性，它所得到的信息還不可以對缺陷進行更為準確的定量判斷，進而給缺陷的判別工作帶來了困難。所以，在實際的檢測工作中，如果遇到較為復雜的測試曲線的時候應該結合其它的方法進行檢測，再將結果綜合分析，最終得到更加全面的數據來判斷樁身質量，采取相應的措施。

參考文獻

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作者簡介：潘遠興（1975-），男，大學，中級工程師，主要從事工程地質工作。