低应变法检测桩身完整性分析

低应变法检测桩身完整性分析

作者：张刚

来源：《城市建设理论研究》2012年第36期

摘要： 桩基工程属于隐蔽工程，由于施工方法的特点和地质条件的复杂性使成桩质量往往难以控制。本文通过对低应变反射波法的理论介绍，结合在钻孔灌注桩完整性检测中的应用实例，阐述了低应变反射波法在控制基桩质量、消除安全隐患方面所起的重要作用。 关键词： 低应变反射波法钻孔灌注桩完整性 中图分类号：U443.15+4文献标识码： A 文章编号：

随着我国城市建设以及城市轨道交通建设的快速发展，钻孔灌注桩得到越来越广泛的应用。如何控制好桩身质量，保证上部结构的安全，成为建设、施工、设计、勘察、监理各方以及建设行政主管部门共同关注的焦点。低应变反射波法以其快速、便捷、经济、易于操作，且对施工不造成任何影响等诸多优点，被广泛应用于桩身完整性检测中。 1 低应变反射波法基本原理

低应变反射波法检测桩身完整性的基本原理是：通过在桩顶施加竖向激振信号产生应力波脉冲，该应力波沿桩身向下传播过程中，当桩身存在明显波阻抗差异界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积发生变化（如缩颈或扩径）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。通过对反射信息进行分析计算，判断桩身的完整性，判定桩身缺陷的程度和位置。

基本理论为一维波动方程。假设桩为一等截面、匀质、各向同性的弹性杆件，当横截面积为A，杨氏模量为E，质量密度为ρ的匀质弹性体桩受到一纵向锤击力时，由平衡关系及虎克定律可得桩的纵向运动微分方程： 其中：

式中：c为沿桩身传播的纵波波速； E为杨氏弹性模量； ρ为质量密度。

当波沿桩身传播遇到阻抗发生变化时，会产生反射与透射，据应力波理论和牛顿第三定律可得：

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

据波阵面上动量守恒条件有：

式中U、σ分别表示应力波波速和应力，下标I、R和T分别表示入射、反射和透射。由上述可得：

式中ρcA为广义波阻抗，F为反射系数，T为透射系数。 根据反射系数F的正负可以判断桩身缺陷性质：

①F＞0时，反射波与入射波同相，若ρ1c1=ρ2c2，则A2＜A1，表明桩身缩颈； ②F＞0时，反射波与入射波同相，若A1=A2，则ρ2c2＜ρ1c1，表明桩身断裂、离析或为桩底；

③F＜0时，反射波与入射波反相，若ρ1c1=ρ2c2，则A2＞A1，表明桩身扩径； ④F＜0时，反射波与入射波反相，若A1=A2，则ρ2c2＞ρ1c1，表明界面下介质强度大于界面上介质强度。

当已知波速的情况下，根据实测波形的反射波的到达时间可以计算桩长或缺陷位置，其数学表达式如下： L=c×ΔT/2

2 低应变反射波法检测桩身完整性步骤

低应变反射波法检测基桩完整性的基本步骤：工前准备、外业数据采集、室内数据处理分析。

2.1 工前准备阶段 2.1.1出工前准备

（1）搜集被检工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等相关技术资料，了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况；

（2）对仪器设备检查调试。检测用仪器必须在计量检定周期的有效期内，并具有良好的波形现场显示、记录和贮存功能，确认仪器工作正常，配备与之匹配的传感器；

（3）根据桩型和检测目的，选择不同材质和质量的力锤或力棒，以获得所需的激振频率和能量；

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

（4）准备安装传感器的石膏、黄油、橡皮泥、凡士林等耦合剂，保证粘结牢固。 2.1.2现场准备工作

被检桩顶面条件的好坏直接影响着测试信号的质量和对桩身完整性判定的准确性，因此，要求被检桩顶面的混凝土质量、截面尺寸应与桩身设计条件的基本相同。当受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa时，进行试桩基坑的开挖，凿除桩顶部浮浆至桩顶设计标高，桩头顶面处理应平整，露出坚硬混凝土面，桩顶表面应平整干净且无积水，将激振点和响应测量传感器安装点部位用角磨机磨平，妨碍正常测试的桩顶外露主筋应割掉。 2.2外业数据采集过程

数据采集过程是对受检桩完整性信息的提取过程。一般可分为桩身激振、传感器信号接收和仪器数据存贮三个步骤，其现场工作原理如图1所示。经大量实践及理论分析表明，测量传感器安装位置宜为距桩中心2/3半径处（该处波的干扰最小），并与桩顶面垂直，用耦合剂紧密粘牢，粘结层尽可能薄；激振点位置宜选择在桩中心，激振方向应沿桩轴线方向。 图1低应变反射波法现场采集系统工作原理示意图 2.3数据分析处理

数据的分析处理过程是对所采集原始数据利用信号分析得到更多的有用信息。检测仪器只能对所采集信号有个大体概念，保证采集数据的质量。一般情况下，将原始采集数据传输至计算机，利用相应的分析软件，通过指数放大、数字滤波等多项后期信号处理技术进行详细的分析、处理。结合设计桩型、成桩工艺、地质资料、施工记录等综合判别桩身完整性。 3 工程检测实例分析 3.1完整桩

施工质量优良的完整桩的低应变反射波法检测曲线：波形规则，有桩底反射波。 1#桩桩长35.0m，桩径1.0m，混凝土设计强度等级C40，低应变反射波法检测曲线（图2）：桩底反射波清晰，无缺陷反射波出现，桩身完整。 图2完整桩（1#桩）低应变检测曲线 3.2扩径桩

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

钻孔灌注桩的扩径现象一般被视为“良性缺陷”；低应变反射波法检测曲线：波形较规则，一般能见桩底反射波。

2#桩桩长36.0m，桩径1.0m，混凝土设计强度等级C40，桩顶下6.0m左右扩径；低应变反射波法检测曲线（图3）：波形较规则，桩底反射波可见。 图3扩径桩（2#桩）低应变检测曲线 3.3缺陷桩

钻孔灌注桩的施工具有高度的隐蔽性，加上复杂的地质情况，在灌注混凝土过程中经常出现各种不易觉察的缺陷，给工程造成安全隐患。 3.3.1离析桩

离析产生的主要因素包括混凝土配合比不当、搅拌及振捣不均匀、灌注时受地下水影响等。表现为混凝土密实性差，或骨料、水泥砂浆相对集中。低应变反射波法检测曲线：波形较规则，出现同相反射波，波速一般偏低。

3#桩桩长29.0m，桩径1.0m，混凝土设计强度等级C30；低应变反射波法检测曲线（图4）：桩顶下13.0m左右出现轻微缺陷（离析）反射波，桩底反射波不明显。 图4离析桩（3#桩）低应变检测曲线 3.3.2缩颈桩

缩颈处截面积变小，波阻抗减小，应力波遇到缩颈会产生与入射波同相的反射，波形比较规则，波速一般正常。

4#桩桩长35.5m，桩径1.0m，混凝土设计强度等级C30；低应变反射波法检测曲线（图5）：桩顶下4.5m左右出现明显缺陷（缩颈）反射波；该桩开挖至3.0m左右时，发现很轻微缩颈；凿除上部3.0m后，检测桩身下部完整性，采用力棒激振，低应变反射波法检测曲线（图6）：入射脉冲较宽，波形呈低频大波浪形式，表明浅部存在缺陷；改用能产生高频窄脉冲的小锤激振，桩长设为15.0m，低应变反射波法检测曲线（图7）：1.5m左右出现明显缺陷反射波，并呈多次反射，桩身存在明显缺陷；继续向下开挖，1.4m～2.3m发现明显缩颈（参见图10）；凿除缩颈部分，低应变反射波法检测曲线（图8）反映桩身基本完整。图9为接桩后低应变反射波法检测曲线，5.5m处出现轻微缺陷反射波，为接桩位置；该桩缩颈情况及处理过程如图10所示。