樁基檢測之低應變反射波法簡析

本文針對某樁基工程采用低應變反射波法檢測鉆孔灌注樁工程質量的實例進行詳細分析，貴州地基檢測為你闡述低應變反射波法的基本理論及其作用和缺陷，實踐證明該方法能較有效的對樁基進行檢測。

1貴州地基檢測告訴你低應變反射波法

低應變反射波法是以一維邊界條件下的波動方程(公式(1))為理論基礎，通過分析應力波在樁體(一維桿件)中傳播、反射的時域曲線特征和頻域曲線特征來確定樁身完整性的一種方法。

式中：c為波的傳播速度；u(x，t)為質點的運動位移；E為彈性模量； 為密度。

1．1時域和頻域分析

在樁頂激振后，產生應力波，(壓縮波)，應力波沿樁身傳播遇到波阻抗變化界面時會產生反射波，和透射波 (見圖1)，應力波在樁頂和波阻抗發生變化界面處(或樁底)傳播、反射，形成樁一土系統的特征頻率， 反射波的相位特征、頻率特征、形態特征可以反映出波阻抗的變化特征(見式(2)～式(5))。

式中：A為截面積；Z為波阻抗； ，為反射系數；△ ，為特征頻率； Ⅱ為樁一土阻力函數，0Z 時a一0，Z。>Z，時a≈ O．5。

根據公式(3)可以把樁身混凝土的波阻抗變化特征歸納為以下三種類型：

① Z 一Z，，即波阻抗無變化，R，=0，應力波全部透射，不產生反射波。樁身混凝土結構均勻、完整、無缺陷且樁底基巖波阻抗與樁身混凝土波阻抗基本相同。

② Z >Z，，即反射界面下段波阻抗變小，R < 0，反射波與入射波同相，該類波阻抗變化特征主要對應于樁體內有縮徑、離析、斷裂、夾泥等缺陷。

③ Z < Z，，即反射界面下段波阻抗變大，R，>0，反射波與入射波反相，該類波阻抗變化對應于樁體存在擴徑、樁底基巖強度大于樁身混凝土強度的現象。

L 2時域和頻域波速計算

應力波在樁頂和波阻抗反射界面之間傳播；在頻率、速度、距離上存在以下關系：

式中：C為樁身的一維應力波縱波波速(m／s)，簡稱波速；L為樁頂測點與反射界面的距離(m)；△ t為續至反射波峰值與初至入射波峰值的時刻差；△ f為幅值譜上樁頂和反射界面相鄰峰值間的頻率差，即樁的特征頻率(Hz)。

2常見缺陷類型低應變時域曲線特征

根據不同的地質條件和設計要求，灌注樁施工過程中采用不同的施工工藝，施工過程中樁身混凝土也會出現不同的缺陷特征和質量問題，在低應變時域曲線上也會有不同的特征。

(1)樁身結構完整，混凝土粗骨料分布均勻、固結完整，樁身無明顯的波阻抗變化，低應變時域曲線樁底反射特征明顯，波速在對應的混凝土強度等級范圍內。曲線形態特征見圖2。

(2)人工挖孔樁在樁孔內無水情況下，如果不采用水下導管灌注工藝，混凝土施工過程中容易出現機械振搗不足，混凝土固結不夠均勻密實，或者混凝土固結時間不足的質量問題，應力波在此類樁身混凝土中傳播會發生散射和繞射，應力波的能量被吸收，衰減作用比較強烈，樁的波速也相對偏低。曲線形態特征見圖3。

(3)在成孔過程中遇到地震可液化層、軟弱土層或承壓水層時，往往需要夯填大量片石、膨潤土、水泥等并擠壓至孔壁土層，以加固孔壁或者封堵承壓水，該類夯填物的波阻抗遠大于樁周土的波阻抗，從而形成高阻抗反射界面。另外，孔壁局部坍塌也可導致坍塌處擴徑成高阻抗反射界面。曲線形態特征見圖4。

(4)在混凝土灌注過程中如果導管1：3離隔離層距離太短，或導管漏水，容易引起坍落物、浮漿被埋入樁體混凝土中，形成離析、夾泥的低波阻抗反射界面，該類樁的曲線形態特征見圖5。

(5)在可塑～流塑的粘性土層中，孔壁土體在自重壓力作用下產生塑性變形，形成縮徑。該類樁的益線形態特征與離析、夾泥等缺陷的曲線形態特征類似。 曲線形態特征見圖6。

(6)在灌注樁施工過程中，如果導管口上提超過隔斷層，將隔斷層之上大量孔壁坍塌物、泥漿等懸浮物淹沒于樁身混凝土之間就會形成斷樁，此時，完整混凝土的波阻抗遠大于樁體中坍塌物、泥漿等懸浮物的波阻抗(反射系數趨近于1)，有效應力波將在波阻抗變化界面和樁頂之間來回反射傳播 形成二次反射或多次反射。曲線形態特征見圖7。

其中，A、B、C、D點分別為反射波的初至及續至波到達樁頂的時間，根據公式(6)，相鄰反射波峰之間的時間差△ t(頻差△ f)是相同的。即：△t0A=△tAB=△ 。：△ 。，這是對時域和頻域曲線進行分析過程中判定是否為斷樁缺陷最為主要的依據。

3低應變現場數據采集要點 

3．1安裝樁頭處理和傳感器

① 樁頭應鑿去浮漿，露出完整、密實混凝土，凸凹高差不宜超過3 Cm。

② 在樁頂平面中心和距中心2／3倍半徑處均勻布置3～4處直徑不小于l 0 Cm的平面，作為應力波激發點或傳感器接收點。

③傳感器用橡皮泥、黃油或石膏緊密粘合于接收點平面。

3．2選擇激振設備

一般情況下構成力錘的材質越軟，產生的低頻成分就越豐富，低頻應力波的能量就越集中，探澍的深度就越深；反之，構成力錘的材質越硬，激發高頻成份就越多，高頻應力波的能量就越集中，能量衰減就越快，探測的深度就越淺。低頻波雖然有利于探測樁底反射和深部缺陷，但是會降低對淺部缺陷和小型缺陷的分辨率；高頻波雖然有利于探測樁淺部缺陷和小型缺陷，但是能量衰減比較快，很難探測到深部的缺陷， 同時高頻應力波容易受淺部外界干擾因素(樁頭不規則、鋼筋籠諧振)的影響產生干擾信號。因此在實際檢測過程中應根據樁長和需要檢測的深度，反復比選，尋找合適的激振設備，才有可能獲得正確的波形曲線。常見的激發力錘有：小鋼錘、小銅錘、尼龍錘、木錘等。

3．3貴州地基檢測位分析現場異常情況

現場實測過程中經常會遇見一些奇特的波形，引起波形異常的原因主要和激發方式、傳感器安裝以及樁頭處理有著密切的關系。

(1)時域曲線初至波攜帶高頻子波，出現這種情況的原因在于被測樁存在淺部缺陷，見圖8。

(2)時域曲線初至波與續至波呈超低頻特征，出現這種情況的原因在于安放傳感器的混凝土體與樁體完整混凝土已經有裂隙。時域曲線反映的是松動混凝土體的低頻諧振，見圖9。

(3)時域曲線初至波形頂端分叉，出現這種情況的原因在于激發力棒或力錘頂端有劈裂現象，見圖1 0。

(4)時域曲線偏離基線，或出現高頻振蕩，這種現象主要是由于傳感器結合面不水平、激振時不垂直或激振點、傳感器接收點靠近樁項環樁箍筋所致，見圖11。

(5)當傳感器與激振點距離比較近或激振能量比較大的時候，信號曲線上會有比較多的面波干擾信號，這些信號將淹沒淺部缺陷的反射信號，見圖1 2。

4低應變反射波法檢測缺陷 

4．1淺部缺陷的檢測盲區

樁頂激發脈沖波在初始傳播階段其實是半球面波，當傳播到一定距離以后，球面波才可能近似看作平面波，滿足低應變平面假設條件，而從樁頂到此深度范圍內應力波的傳播比較復雜，信號干擾嚴重，這個區域被稱為一維應力波的盲區；該盲區深度范圍在l倍的樁徑到1／2波長之間。盲區的大小與激發脈沖信號的寬度密切相關，實測過程中可以通過提高力錘硬度、減弱激發能量、減小脈沖寬度等方式減小盲區范圍。

4．2難以探測到深部缺陷

由于樁身混凝土內部結構的不均勻性導致應力波在傳播過程中的散射、繞射和反射，從而削弱了應力波傳播的振幅和能暈，同時樁周土對有效應力波也起衰減作用，一般情況下，樁長超過川I1]左右就難以接收到樁底反射信號。同時樁身存在的淺部嚴重缺陷(如斷樁)將入射波的能量大部分轉換為反射波從而削弱了透射波的能量，如圖7，對于埋深4m以下的缺陷就無法再采集到有效信號。

4．3缺乏判定缺陷程度的依據

低應變檢測資料分析過程中，對于時域曲線的反射波形特征，可以根據時域和頻域分析，計算缺陷存在的位置，根據有無樁底反射波、反射波的相位特征、是否存在二次或多次反射以及反射波的振幅衰減情況、頻率變化情況，可以定性地判斷樁體是擴徑、離析、夾泥、縮徑或者斷裂。但是對于缺陷存在的厚度、大小以及對于工程質量的影響程度則缺乏完整的分析、評價依據。在實際現場數據分析過程中往往采取抓大放小的原則確定樁身質量缺陷的程度。

結束語

貴州地基檢測提醒你：低應變反射波法具有外業數據采集簡單、快捷的特點，能夠對大量的工程樁在短時間內開展質量普查工作，本著“抓大放小” 的原則，對樁長相對較短、反射波形特征比較明顯的基樁質量缺陷作出比較客觀的評價，但是受激振方式、樁身質量、樁端土和樁周土的地質特性以及儀器設備等因素的影響，難以探測到長、大樁深部的缺陷； 同時，僅根據缺陷的反射波形特征、相位變化特征、頻率變化特征還無法對缺陷的大小和對工程質量的影響程度作出定量的評價，對于低應變反射波時域曲線上反映比較突出的缺陷還需要結合鉆探取芯驗證確定其質量缺陷程度。