低應變反射波法判斷樁基完整性

趙云龍，李凡，王駿，童進

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

低應變反射波法判斷樁基完整性

趙云龍，李凡，王駿，童進

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

由于樁基工程是地下隱蔽工程，而施工及土層等復雜因素導致樁身質量問題普遍存在，因此檢測樁基質量問題十分重要。目前，在我國樁基檢測方法有多種，其中反射波法由于其基本原理簡單、快速無損、資料判讀直觀、準確度較高成為檢測樁基質量的主流方法。根據在安徽淮北省道連接道路S203中出現不同樁身質量問題，通過低應變反射波法并結合時域、頻域圖來判斷樁基的完整性。

傳感器；時域；頻域；激振點；波形圖

0 引 言

隨著建設事業的蓬勃發展，樁基礎作為一種安全、有效、方便的主要基礎形式，應用也越加廣泛。但是樁基礎多為地下成樁，因此難免會出現諸如：縮擴頸、斷裂、混凝土離析等諸多缺陷［1］。這些缺陷會在不同的程度影響樁基的質量，使樁基達不到設計要求。因此樁基檢測工作也越來越引起人們的關注，而低應變反射波法是檢測樁身完整性應用最廣的一種方法。

本文將從低應變檢驗樁基完整性的基本原理入手，結合在安徽淮北省道連接道路S203中樁基出現的問題進行分析。S203路線起點位于淮北市青龍山火車站附近的青龍山路和孟山南路交叉處，施工范圍起點位于新濉河北岸與省道S101交叉處，終點位于臨渙工業園基地北路與S203交叉處。工程施工范圍為：K0+914.5～K34+771，全長33.857km。沿線經濉溪鎮、百善鎮、四鋪鎮、韓村鎮等城鎮，并上跨縣道、省道、高速等多條重要道路。其中426根基樁采取低應變反射波法進行檢測，因此能否檢測出來基樁的缺陷直接影響到后期工程的進行。

1 適用范圍以及基本原理

1.1 適用范圍

該方法適用于鋼筋混凝土預制樁（預制混凝土方樁、板樁、預應力管樁等）和混凝土灌注樁（鉆孔灌注樁、挖孔灌注樁、沉管灌注樁等）的樁身結構完整性檢測。

1.2 基本原理

低應變反射波法，先是用重力錘樁頂施加一個瞬態激震力，產生豎向的瞬態應力波，應力波在樁身傳播的過程中。如遇到樁身阻抗變化時，應力波就會在該處發出反射波信號，再由速度傳感器接收產生的反射信號，并作出時程（或稱為波形）曲線。然后利用信號采集儀對記錄的波形進行處理和分析，最后結合地質資料和施工記錄，對樁身的完整性作出判斷［2］。檢測方法如圖1所示。

圖1 檢測方法示意圖

低應變反射波法是以把樁視為一維彈性桿為基礎的，當在桿的一端施加一個瞬態脈沖力，則會有應力波沿著桿的軸線像另一端傳播，如果在其傳播過程中遇到了桿件截面的波阻抗Z發生變化時，則在變化界面處會產生反射波。也就是說，入射的應力波在變阻抗的界面上，一部分波沿著界面繼續順著桿的軸線向下傳播（稱為透射波），而另一部分則從界面反射回去（稱為反射波）。

如果劃分為桿的上端阻抗Z1，界面下端阻抗Z2，則考慮桿件在界面連續，邊界條件應該為：

其中u、u'和N分別表示界面處位移、速度和軸向力，下標i、r、t分別表示入射反射和透射波。且軸向力N與應力σ以及位移u有如下關系：

這樣，就可以推出反射系數Rr和透射系數Rt：

式中：

帶入式（4）和（5）得

由式（7）可以看出，當樁界面上下兩端阻抗相差越大，反射波反射越明顯，反射能越大，故可以根據傳感器接收信號所得出的曲線圖來判斷樁的完整性。且缺陷越大，曲線圖越明顯，越容易看出缺陷位置［3］。

2 測試前的準備工作

2.1 樁頂處理

樁頂處理的好壞直接關系到樁的質量缺陷是否能被檢測出來。因此要求被檢樁的樁頂混凝土質量、設計與截面尺寸相同。且對于不同形式的樁應采用不同的處理形式：如果檢測對象為鉆孔灌注樁，應鑿除樁頂浮漿，露出新鮮、堅硬的混凝土；若為預制混凝土樁，宜在破樁前進行低應變測試，被檢樁的樁頂檢測面必須平整、密實和水平。

2.2 傳感器安裝

傳感器應穩固地安置在樁頂，粘合劑可采用橡皮泥或者黃油等材料。安裝完畢的傳感器應緊貼樁的頂面，傳感器不產生滑動、信號線不抖動，不能用手扶持傳感器和信號線，并保證傳感器安裝平面與樁的中心軸線垂直。

2.3 激振錘的選擇

選用不同材質錘頭的主要目的是控制激勵脈沖的寬窄，以獲得清晰的樁身阻抗變化和反射和樁底反射。當樁身缺陷位置離樁頂較近時，宜選用質量小且剛度較大的錘頭；反之，樁身缺陷位置離樁頂較遠時，宜選用質量較大且剛度較小錘頭，得到的沖擊脈沖較寬，低頻成分較多，相應的應力波能傳遞到樁身較深部位。

3 現場數據采集

現場數據采集時，為了保證原始資料準確、無誤，首先要控制好儀器增益，以期來控制信噪比及避免信號削尖現象。而且對于較長較大的樁，應適當增加錘擊能量和降低錘擊脈沖頻率，以克服錘擊能量衰減速度快的弊端。而對于淺部位置波阻抗變化，則要提高脈沖頻率［4］。

4 室內數據分析處理

4.1 時域和頻域結合分析

樁身完整性分析以時域曲線為主，輔以頻域分析，并結合施工情況等因素進行分析處理。一般來說，時域中的信息直觀、明了，很容易看到缺陷和樁底反射；頻域中的信息間接，需要仔細分析。

如圖1，該樁長15.7m，直徑1.4m，在圖2（a）中出現的樁頂發射較為明顯，無缺陷反射波；在圖2（b）中，清晰地看出△f=126.01Hz，△L=c/△f/2=3911/126.01/2=15.51m，二者結果大體一致。

圖2（a）時域圖

圖2（b）頻域圖

4.2 濾波技術

采用加速度傳感器時，選擇不小于2000Hz的低通濾波對積分后的速度信號進行處理；采用速度傳感器時，選擇不小于1000Hz的低通濾波對積分后的速度信號進行處理。

4.3 曲線放大

線性放大，可使細小的缺陷明顯；指數放大，可使各反射面相對明顯，有時會使曲線畸變。

4.4 缺陷處信號重復反射問題的識別

當縮頸樁的縮頸處截面積變小時，即存在波阻抗變化界面，這時在時域波形圖中能見到明顯的縮頸反射和樁底反射信號。如圖3，在樁頂1.2m左右出現正半波，意昧著縮徑，后來經挖開后，出現“蘑菇頭”，是因為澆筑時護筒大于樁徑所致，如圖4。

5 結 論

①為保證低應變反射波法能夠對樁基缺陷做出正確判斷，必須要盡可能減少人為因素所產生的一些誤差。選擇性能穩定的傳感器，減少環境因素的影響，合理地應用濾波處理和設置儀器參數。

②運用低應變反射波法判斷樁基完整性必須要結合工程實際。雖然我們能通過接收到信號做出明確的判斷，但是要對樁身完整性做出準確判斷必須要明確工程的施工工藝和場地情況。

③合理的應用低應變反射波法可以更好地指導基樁的施工。

圖3 1.2m處縮徑時域圖

圖4 現場圖

［1］胡在良，張佰戰.時域頻域法聯合判定樁身完整性的應用研究［J］.鐵道建筑，2008（1）：58-60.

［2］劉明貴.樁基檢測技術指南［M］.北京：科學出版社，1995：245-252.

［3］黃晏輝.低應變反射波法在樁基檢測中的應用［J］.中國西部科技，2015，14（5）：57-58.

［4］李武強.利用低應變檢測曲線判斷樁基質量［J］.中國煤田地質，2003，15（1）：63-64.

TU473.1+6

B

1007-7359（2016）02-0261-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.093

趙云龍（1990-），男，安徽阜陽人，合肥工業大學土木與水利工程學院在讀碩士，研究方向：巖土與地下工程。