论低应变应力波反射法在桩基检测中的应用
关键字:低应变反射波法桩基检测,动力检测,应用
1.前言
桩基础作为一种基础形式，已经越来越广泛地应用在包括高层、超高层建筑或大型桥梁等工程建设中。它属于隐蔽性工程，起着将结构上部荷载传递到较深和较好地层中的作用，是构筑物的重要组成部分，对工程结构质量起着极其重要的作用。因此，当前桩身的质量完整性检测对桩基工程而言具有极为重要的意义。基桩动力检测方法具有费用低、速度快、方便、无损等优点，越来越受到人们的重视和欢迎。动测法在国内起步近三十年，但推广应用才十年，在这十余年中的发展中，我国动测技术己经取得了一系列可喜变化，在近l0多的时间内就有许多种动测仪相继问世，并在测桩实践中得到广泛应用。但动测技术仍届发展中的技术，经验和理论有待进一步积累和完善。
2.动力检测方法及其低应变应力波反射法
2.1动力检测方法
动力检测根据作用在桩顶上的能量大小，分为高、低应变两种类型：
1、高应变法
当作用在桩顶上的能量较大时，根据直接测得的打击力与设计极限值，可计算相应动测“极限承载力”，这便是高应变法。目前高应变法有动力打桩公式法、波动方程分析法、case法、曲线拟合法、锤击灌人法和动静法等。
2、低应变法
作用在桩顶上的能量较小，仅能使桩土间产生微小扰动，这类方法称之为低应变法。低应变法有机械阻抗法、反射波法、球击法、动力参数法和水电效应法等。它们都是通过在桩头施加激振、桩头接收，然后分析桩的动态响应特性来判别桩身质量。它们的区别主要表现在激振方式、检测系统和分析方法上。目前常用的低应变动测方法有：
(1)水电效应法
水电效应法，其基本原理是桩身质量的好坏可用瞬问激励所得到的桩土系统的频响函数来识别。水电效应法不仅可检验单桩，而且可检验有盖梁的单排桩、有承台的群桩。
(2)机械阻抗法
机械阻抗法有瞬态和稳态两种方法。机械阻抗法是对桩体特性的具体描述，能够给出反映基桩整体力学特性的参数，如阻抗、桩土系统的固有频率、动刚度等。
(3)低应变应力波反射法
具有检测速度快、反应直观、适应性强等特点，所以在目前的低应变桩基检测中得到广泛应用。
2.2低应变应力波反射法
基本原理是在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身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)部位时，将产生反射波。经接收放大滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速并判断桩身完整性及估计混凝土强度等级。还可根据波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。装置示意图如图1所示
现场检测的主要步骤如下：
1、检测前应对仪器设备进行检查，性能正常方可使用。对需充电的仪器，除平时注意保养性的充电外，在进入现场前必须保证充足电源，以供检测时有足够的电源。
2、每个检测工地均应进行激振方式和接收条件的选择试验，以确定最佳激振方式和接收条件。激振方式和接收条件的选择，不同的仪器有所不同，但一般的选择原则是：当基桩较长时，应选择能产生低频的力锤，如尼龙锤;反之，应选择能产生高频的力锤，如铁锤等。但由于基桩本身条件和基桩周围地质条件的复杂性，不管选择什么锤，都必须经过现场试验确定。
3、锤击技术是一个测试质量优劣的重要环节，要有实践经验丰富的熟练技术工人操作。锤击时保证作到：落锤到实处，动作干脆利索，锤击方向垂直于桩头平面，达到产生瞬间激发点源，首脉冲狭窄目符合半正弦规律。
4、每一根被检测单桩最少应进行三次以上重复测试，在波形一致性良好的情况下方可存人仪器。测试时如发现异常波形，为确保测试结果真实反映基桩质量情况，应在检测现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试。为了有利于检测结果的分析判断，检测时可选择不同的频率参数采集数据，得到多条(三条以上)测试曲线，尤其是对于初判有缺陷严重缺陷的基桩更应如此。
3.低应变应力波反射法在桩基检测中的应用
3.1基桩质量中的常见缺陷
成桩工艺不当，或沉桩方式不合理，或地质条件等因素，都可能使基桩出现影响其质量问题的缺陷，不同程度地影响基桩的承载力。桩身缺陷有三个指标，即位置、性质和程度。缺陷的综合表现是桩的阻抗变化，阻抗的变化可能是任何一种缺陷的表现。因此，仅根据阻抗的变化不能判断缺陷的具体性质，如有必要，应结合地质资料、桩型、施工工艺和记录等进行综合判断。在基桩动测工作中，常见的缺陷类型主要有变径、离析、夹泥、空洞、断桩等。
当桩头受到一脉冲激励力作用时，首先出现于桩头的压缩波将沿桩身向下传播(波速为c)，在不考虑桩侧土阻力的条件下，这一压缩波将在桩身广义波阻抗(桩身截面积、混凝土模量等)变化处发生反射和透射，因此可根据应力波的传播规律，由反射波速度曲线可对桩身质量进行判别。这里以离析桩为例进行介绍。桩的离析是指混凝土桩外形是完整的，由于成桩材料不合格或料配比不当，搅拌不均匀或振捣不密实，成桩的某些区段含石砂量过高，呈现蜂窝状结构，或呈松散状态，从而直接影响桩的强度和承载力。反射波在这一部分的反射情况与在缩径处反射情况类似。但仍存在细微的差别，即缩径桩的曲线多数是光滑的，而离析桩的曲线中均能找到“毛刺”。这是由于离析段混凝土的密实度差，不均匀，应力波在此处会产生一定的“漫射”，故而它的曲线类似缩径曲线，却没有那么规则。离析桩的反射波曲线如图2所示。
对于桩身不同类型的缺陷，低应变测试信号中主要反映出桩身阻抗减小的信息，缺陷性质往往较难区分。例如，混凝土灌注桩出现的缩径与局部离析、夹泥、空洞等，只凭测试信号就很难区分。因此，对缺陷类型进行判定，应结合地质、施工情况综合分析，或采取钻芯、声透等其它方法。
3.2反射波形曲线解释
分析测试振动曲线上反映桩身波阻抗变化及桩底信息的反射波的特性，推测桩身完整性变化及桩身弹性波波速。若桩底反射波出现时间为T桩长为L，则桩身波速为C=2IVT;若桩身缺陷反射波出现时间为T，则缺陷位置为L =CT /2。当一根桩检测完毕，并取得多张现场检测记录后，应在原始波形曲线上按下列特征进行解释：
1、无缺陷的好桩，则整个原始波形曲线均匀，频率高，衰减快。当波形即将衰减完毕，并经过一段平静之后，在波形曲线的尾部又出现与初至波同相位的波峰或波谷，这就是桩底反射波的到达，由此可直接读出反射波的到达时间。如果预先不知道施工桩长，则可根据经验初步假定一个桩身混凝土波速值(预制桩可假定VP =4OOO～4100 m/s，灌注桩可假定VP =3300～3600 m/s)，由此计算桩长。如果已知施工桩长，可精确地计算出桩身混凝土波速值，依次评价桩身混凝土强度。
2、如果在桩身的上部出现扩径、缩径以及轻微的薄层夹泥界面等，可在波形曲线的尾部找到桩底反射波，然后在波形曲线的前部进一步判断桩身缺陷界面的反射波，并读出反射波的到达时间，按已知的施工桩长计算出桩身混凝土波速值，再计算出各缺陷界面在桩身的位置，即从桩顶往下的深度。
3、如果桩身上部和中部出现严重断裂或夹泥层，或者有严重扩径或缩径等缺陷，这时波形曲线上可能不会出现桩底反射波，而在波形曲线的前部仅出现各种缺陷界面的反射波。读出这些反射波的到达时间，假定一个桩身混凝土波速值，可计算出桩身严重断裂、严重扩径，严重缩径截面的位置。也就是说，波形曲线仅反映缺陷界面以上的桩身，对缺陷界面以下的桩身没有反应。
3.3桩身完整性分类讨论
对桩身缺陷严重程度还未能有一个明确的量化概念，对桩身完整性分类也只是根据波形形态结合实际经验，定性归类综合判定。目前，国内的完整性分类五花八门，但大体上可按四类进行，即
I类桩(或A类桩)：时域信号特征：2L/C时刻前无缺陷反射波，有桩底反射波，未见明显缺陷，波速和桩底反射合理，桩身完整性优良;
II类桩(或B类桩)：时域信号特征：2L/C时刻前出现轻微缺陷反射波，有桩底反射波，存在局部缺陷，波速和桩底反射基本合理，桩身基本完整;
III类桩(或C类桩)：有明显缺陷反射波，波速或桩底反射严重不正常，其它特征介于Ⅱ类和Ⅳ 类之间，一般应采取补救措施，桩身存在严重缺陷;
IV类桩(或D类桩)：时域信号特征：2L/C时刻前出现严重缺陷反射波或周期性反射波，无桩底反射波，或因桩身浅部严重缺陷使波形呈现低频大振幅衰减振动，桩身存在重大缺陷，必须处理。
4.结束语
基桩动测技术是一门多学科交叉、知识面广的科学实用技术。低应变反射波法作为桩身完整性检测的有效方法，其健康有序地发展和应用，对我国的工程建设有着非常重要的理论意义和实用价值。
参考文献：
1.王雪峰，吴世明，基桩动测技术，北京：科学出版社，2001
2.雷林源，桩基动力学，北京：冶金工业出版社。2000
3.杨生龙，邱本仁，低应变反射波法验桩浅谈，西部探矿工程，2000年第5期
