低應變反射波法基樁完整性檢測技術分析

邱炳茂

摘 要：現代基樁完整性的檢測，低應變反射波法因其快速、方便與經濟等優勢而被廣泛應用。鑒于此，本文以低應變反射波法檢測原理入手，專業分析了檢測過程的技術要點，并結合筆者多年的從業經驗對其局限性與改進措施進行了總結，以期為我國工程建設基樁檢測提供技術參考。

關鍵詞：基樁檢測；完整性；低應變反射波法

1 低應變反射波法的基本原理

低應變反射波法檢測技術的運用，其基本原理是將樁體視為介質均勻連續的一維彈性桿件（樁長>直徑），當樁頂遭受瞬態敲擊時，所產生的彈性波會沿樁身向下傳播，該過程如遇樁身出現縮徑、擴徑、離析與斷樁等缺陷使樁身波阻抗Z發生明顯變化界面時，則會形成透射波與反射波，而波阻抗Z的大小變化決定了反射波的相位與幅值大小。與此同時，來自樁身各個波阻抗Z變化界面處反射回來的信息便會通過安裝于樁頂的傳感器實現接收，進而對樁身完整性便可依據所接收到的信息實施分析與判斷。Z的計算公式為下式1-1：

Z=C×P×A （式1-1）

式中：C為彈性波在樁體中的傳播速度；p為樁身混凝土密度；A為樁身橫截面積。

假定有一波阻抗變化界面存于樁體某處，界面上部波阻抗為Z1，下部波阻抗為Z2。當Z1>Z2時，表示入射波與反射波相位相同，縮徑或混凝土質量較差等缺陷存于樁身相應位置，即彈性波傳播方向為硬材料至軟材料；當Z1

當樁身存有質量缺陷時，可根據下式1-2將缺陷位置L′推算而出：

[L']=ΔtC/2 （式1-2）

式中：Δt為缺陷處反射雙程旅行時間，s；C為彈性波在樁體中的傳播速度，m/s，C=2L/ΔT，其中L為樁長，m；ΔT為樁底反射雙程旅行時間，s。

2 低應變反射波法基樁完整性檢測要點

在全面收集并掌握待檢工地的有關資料后，對影響應力反射波傳播的土層與地質環境（尤其是軟硬地層界面）等因素實施客觀分析，了解成樁工藝及其成樁過程的故障與處理措施，以防對樁身質量產生的誤判。

2.1 樁頭處理

鑿去并清除樁頂浮漿與松散部分，露出含骨料新鮮、堅硬的混凝土表面，對樁頭盡量保證完整且樁頂平整，切勿留下隱形裂縫，更不能劈裂樁身，在清理干凈樁頭破碎部分后應確保頂面干燥無積水，宜用砂輪打磨凹凸不平處3～4個小平面。如若樁頭已與墊層相連，則應將其斷開。

2.2 傳感器安裝

從理論上講，傳感器越輕、與樁面越貼近且接觸剛度越大，則傳遞效果越好，測試信號也與樁面質點振動越接近。對于傳感器安裝位置的確定，圓形實心樁當激振點在樁頂中心時，宜于距樁心2/3～3/4半徑處均勻布置3～4個安裝點；空心樁則宜安裝于管樁壁厚的1/2處，并且宜與錘擊點安裝于同一水平面上，同時確保與樁心連線呈直角；當遇樁徑較大或樁頂橫截面不規則時，對激振點或傳感器接收點位置應根據實測信號及時調整。

傳感器的安裝必須采用耦合劑與樁面垂直粘結，粘結層不宜過厚（盡可能薄），如有必要，也可采用沖擊鉆打孔安裝，但應確保安裝面與樁身頂面接觸緊密。需要注意的是，為了抑制檢測過程因外露主筋振動而產生干擾信號，傳感器安裝點與激振點應盡量遠離樁體主筋，如若主筋外露過長影響到檢測過程，則應將其適當割短。

2.3 激振方式選擇

由于樁周土側摩阻力與樁身材料阻尼作用的存在，應力波在沿樁身傳播時勢必會產生振幅衰減現象，衰減快慢不僅與樁、土阻尼有關，同時還密切相關于應力波的頻率成份，頻率越低衰減越慢，反之則越快。如下式2-1所示，隨著傳播距離的增加，振動振幅變化規律通常呈現為指數衰減狀態：

A=[Ame-ax] （式2-1）

式中：Am為振源振幅；x為傳播距離；a為衰減系數。

故此，在對樁身深層缺陷檢測過程中，要求為持續時間較長的脈沖力，錘擊可用尼龍頭，這樣會使應力波具有豐富的低頻成份，傳播深度會因頻率低而表現大，如此方能接收到缺陷位置的反射波。相反，淺層缺陷的檢測則需持續時間較短的脈沖力，錘擊可用小鐵錘，如此產生的具有豐富高頻成份的應力波會因波長小而提升缺陷位置的判斷精度。

2.4 樁底反射

低應變反射波對于基樁完整性的檢測，其過程只有將樁底反射信號接收并識別后方能對整樁完整性有效判定。除與錘擊能量和樁身長徑比有關外，決定樁底應力波反射的主要因素為樁與土的剛度比，比值越大衰減越小，因此對于細長摩擦樁而言，其對應衰減現象極為嚴重。樁底反射檢測所用錘頭宜為小硬度或大質量，以此產生較大能量的沖擊，進而形成衰減較慢的應力波和以脈沖寬、低頻為主的入射波，借助指數放大實施波形判讀。即便如此，對樁底反射也并不是所有的樁均能檢測到，當遇下述5種情況時則很難測到：（1）樁身截面變化不規則；（2）擁有匹配良好的持力層阻力和樁身阻力；（3）樁周土約束很大，應力波衰減很快；（4）樁較長、樁身遇有嚴重缺陷或接樁部位較多，且接樁效果較差時；（5）嵌巖樁且嵌固良好，將樁體與墊層澆筑為一體時。

雖然樁底反射信號在大多情況下不易識別，但在有效檢測深度內如若樁身存在缺陷，那么采樣波形就會將缺陷位置反映。因此，在有效測試范圍內，低應變反射波法仍可實現基樁完整性的有效檢測。

3 低應變反射波法的局限性與完善措施

3.1 局限性分析

影響低應變反射波法檢測結果準確性的關鍵性因素為其自身所具有的局限性，其在以下5個方面存在不可逾越的障礙：（1）對波阻抗的相對變化僅能從廣義上測出，可判別并計算出擴徑類與縮徑類缺陷及其位置，但卻無法針對缺陷確定出它的方位與性質；（2）對基樁缺陷的定量分析仍舊停留在指導階段，只是片面定性的分析很難達到理想的效果；（3）無法正確給出波速與振源頻率及混凝土強度間的關系，當前波速計算所用公式未達理想，而以施工樁長為計算依據表現出諸多具體性問題，因此仍有10%的誤差存于缺陷位置判斷中；（4）無法準確測量樁身的過小缺陷與極淺部位及超過一定限度長徑比的樁。該問題在以現有理論與技術為基礎上均難以解決，測試范圍因高頻信號傳不下去而存在限制；低頻信號分辨率無法達到要求，容易因繞射而對缺陷產生漏判；（5）當樁身存在多處缺陷時，容易誤判深部缺陷。

3.2 完善措施

（1）對基樁完整性結合施工記錄與地質資料進行分析。人工挖孔樁與預制樁不會出現縮頸缺陷；地層變化處與流水處為質量缺陷多發處，地層發生急劇變化時其自身也會產生回波；對缺陷部位的確定與地層影響的排除利用地質資料的必要性很強；（2）利用定量分析軟件輔助樁身缺陷程度的判定。雖然定量分析本身尚存諸多不足，但其對應力波在樁身中的詳細傳播過程實施了分析，只要合理選取樁土參數，絕對可提升缺陷程度判斷的準確性；（3）對同一工程的所有被測樁實施綜合分析。以單根樁衡量整體工程的基樁質量存在以偏概全現象，甚至相當危險，只有基于同一工程全部樁基共性的尋找與分析，方可通過單樁分析來實現整體分析效果的提升。

4 結語

綜上所述，雖然低應變反射波法對于基樁完整性的檢測優勢突出，但在應用過程中對其局限性也應清楚認識，當遇檢測信號反映出樁基存在缺陷時，建議采用其他檢測方法予以驗證。

參考文獻：

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