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摘要:低应变反射波法是一种应用十分广泛的桩基检测方法，具有快速、高效、准确等技术优点。本文从低应变反射波法的基本原理出发，对一些实例检测中常见的波形进行了分析，并重点分析了检测中应注意的事项，确保了低应变反射波检测的准确性。可供参考。
关键词: 反射波法；桩基检测；波阻抗；缺陷波形；传感器
近年来，随着我国工程建设事业的快速发展，桩基础作为一种安全、有效、可靠的基础形式在众多等领域均得到了广泛的应用。由于桩基属于隐蔽工程，施工过程中难免出现离析、夹泥、缩颈、断裂等不良缺陷，这些缺陷不同程度地影响了基桩的质量而影响到上部结构物的安全，因此桩基质量的检测越来越重要。桩基检测技术通常有直观检查法、辐射能检测法、静力检测法和动力检测法。基桩动力检测技术目前主要有低应变法、高应变法,各有优缺点。低应变反射波法具有检测快速、方便，测试资料分析简单、精确，费用低廉等优点，因此其被众多的检测单位所采纳与应用。
1低应变反射波法的基本原理
低应变反射波法是以一维波动方程为理论基础。将桩身假定为一维弹性杆件,当桩顶受到一激振力后,产生一压缩波,沿桩身向下传播,当桩身的波阻抗Z发生变化时,应力波在桩身的传播将产生反射、透射和折射。两种波阻抗差别越大,纵向应力波反射的能力越强,透射的能力越差。反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。安装在桩顶上的传感器,将接收桩身各个波阻抗Z变化界面处反射上来的信息,根据这些信息进行分析,可对桩身完整性质量进行分析判断。
在基桩某一个波阻抗变化界面处,假设界面上部波阻抗Z1=ρ1C1A1,下部波阻抗Z2=ρ2C2A2。波阻抗之比
ψ=(ρ1C1A1)/(ρ2C2A2) (1)
(1)当ψ>1时,分为两种情况:①假定桩身截面积不变,即A1=A2,则ρ1C1>ρ2C2,表明在桩身相应位置混凝土质量较差,发生了离析或断桩,反射波和入射波同相位。②假定桩身材料的性质不变,即ρ1C1=ρ2C2,则A1>A2,也就是说桩身的截面发生了变化,在桩身相应截面发生了缩颈,反射波和入射波同相位。
(2)当ψ<1时,分为两种情况:①假定桩身截面积不变,即A1=A2,则ρ1C1<ρ2C2,表明应力波由软材料向硬材料方向传波。②假定桩身材料的性质不变,即ρ1C1=ρ2C2,则A1 当桩身存在缺陷时,根据接收到的缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t和桩身传播速度C来推算缺陷位置Lx。
Lx=△t×C/2 (2)
2实测缺陷波形分析
(1)浅部扩颈,波形如图1所示。
图1浅部扩颈波形
桩长40.50m,桩径1.00m,C30。初步判断浅部扩颈。后经开挖验证,桩顶下2.2～3.4m出现扩颈。
(2)离析,波形如图2所示。
图2高析波形
桩长18. 5 m, 桩径1. 00 m, C30。取地质条件、设计成型、成桩工艺、混凝土标号相同的桩底反射信号明显的5 根I类桩的平均波速, 如表1 所列。
表1 平均波速 m/ s
根据平均波速3855m/s初步判定桩顶下4.9m处严重离析。后经取芯验证,在5.0m处开始严重离析,缺陷芯样长度为82cm,芯样为砂浆,无粗骨料。
(3)低频大信号,如图3所示。
图3低频大信号
桩长14.6m,桩径0.50m,C15。该桩检测出的波形为底频大信号,初步判断为浅部严重缺陷。后经验证在桩顶下1.2m处断桩。
(4)桩底没入岩,波形如图4所示。
图4桩底没入岩波形
桩长22.0m,桩径1.25m,C30,嵌岩桩。取地质条件、设计成型、成桩工艺、混凝土标号相同的桩底反射信号明显的5根%类桩的平均波速,如表2所列。
表2平均波速 m/s
按波形图中设定的桩底位置,根据施工单位提供的桩长22m,计算得出的波速为3934m/s,与平均波速很接近,根据所测波形结合地质情况初步判定为桩端没入岩。后用钻芯法验证桩端入岩情况,桩端没有入岩。
3低应变反射波法检测分析注意事项
3.1现场桩头的处理
在现场信号采集的过程中,桩头的处理是非常关鍵的一步。由于桩头处理得不好,往往不能采集到理想的信号。桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止,粘接传感器和进行激振的位置要尽量打磨平整、处理干净,不能破碎,不要有杂物和水。最常见的情况就是桩头的浮浆清理不彻底,采集到的信号都不理想,往往在信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲,不能客观地反映桩身的完整性情况。另外在锤击的过程如果出现将敲击处混凝土敲破碎的情况,应重新打磨一个平整的激振点。
3.2传感器的选择及安装
在现场检测过程中选用速度传感器和加速度传感器进行对比检测。选用速度传感器采集的波形曲线,对浅层缺陷反应不是很明显,而选用高灵敏度加速度传感器测试所采集到的波形曲线,没有振荡,并且缺陷反应明显。对实心桩,传感器安装位置宜为距桩中心2/3半径处;对空心桩,激振点与传感器安装位置宜在同一水平面上,且与桩中心连线形成的夹角宜为90&,传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。耦合剂可选用粘性好的黄油、牙膏等,保证传感器与桩头粘接牢固、密贴、无气泡,传感器纵轴应安装垂直。传感器安装不牢固会导致波形杂乱、振荡明显,不利于对基桩的分析判断。
3.3激振设备的选择
低应变动力检测在桩顶实施激振的设备一般为手锤或力棒,敲击桩顶时点击引起质点震动形成波动传播,在桩头附近可近似认为半球面波,远离桩头后可近似为平面波,由于检波器接收的是平面波,在桩头附近就会形成测试“盲区”。因此为了能够有效的识别浅层缺陷,应提高激振脉冲波频率以提高分辨率,同时尽量保证弹性波的垂直传播,减少浅部折射损失,所以发现浅层部位信号异常时,应用小钉锤进行激振,可更清楚地识别浅层缺陷的程度和位置。对较长桩的检测应用力棒或铁球进行激振,因其能量大、脉冲宽、频率低、衰减小,适用于桩底及深部缺陷的检测。
3.4波形分析
在对波形进行分析判定时应结合地质资料及施工记录等相关资料进行综合分析。应力波在桩身传播过程中,不仅受到桩身波阻抗变化的影响,还受到桩周地质情况变化的影响。如当桩周土从较硬土层变化到较软土层时,波形曲线会产生类似缩径的反射。很多缺陷都产生在有水的软弱地层或地层变化的地方,如不考虑地质变化的影响容易对基桩产生误判。当桩底反射信号不明显时可进行适当的指数放大,但放大倍数不应过大否则易使波形失真。对采集的原始信号进行适当的滤波,可以将测试信号中无用成分的波滤除掉,便于分析判断。值得注意的是低通滤波频率上限选择过低,容易掩盖浅层缺陷,导致漏判桩身缺陷。
4结束语
目前,低应变反射波法在桩基检测中具有快速、高效、准确基桩等优点，但是检测尚处于探索发展阶段。随着检测经验的积累、理论的完善,检测仪器的改进,在桩基工程质量检测中反射波法必将发挥出更大的作用,取得更大的社会效益和经济效益，因此，低应变反射波在桩基检测方面值得研究及大力推广。
参考文献
[1] 李刚，低应变反射波法在基桩检测中的应用[J]山西焦煤科技，2008.10
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词: 反射波法；桩基检测；波阻抗；缺陷波形；传感器
近年来，随着我国工程建设事业的快速发展，桩基础作为一种安全、有效、可靠的基础形式在众多等领域均得到了广泛的应用。由于桩基属于隐蔽工程，施工过程中难免出现离析、夹泥、缩颈、断裂等不良缺陷，这些缺陷不同程度地影响了基桩的质量而影响到上部结构物的安全，因此桩基质量的检测越来越重要。桩基检测技术通常有直观检查法、辐射能检测法、静力检测法和动力检测法。基桩动力检测技术目前主要有低应变法、高应变法,各有优缺点。低应变反射波法具有检测快速、方便，测试资料分析简单、精确，费用低廉等优点，因此其被众多的检测单位所采纳与应用。
1低应变反射波法的基本原理
低应变反射波法是以一维波动方程为理论基础。将桩身假定为一维弹性杆件,当桩顶受到一激振力后,产生一压缩波,沿桩身向下传播,当桩身的波阻抗Z发生变化时,应力波在桩身的传播将产生反射、透射和折射。两种波阻抗差别越大,纵向应力波反射的能力越强,透射的能力越差。反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。安装在桩顶上的传感器,将接收桩身各个波阻抗Z变化界面处反射上来的信息,根据这些信息进行分析,可对桩身完整性质量进行分析判断。
在基桩某一个波阻抗变化界面处,假设界面上部波阻抗Z1=ρ1C1A1,下部波阻抗Z2=ρ2C2A2。波阻抗之比
ψ=(ρ1C1A1)/(ρ2C2A2) (1)
(1)当ψ>1时,分为两种情况:①假定桩身截面积不变,即A1=A2,则ρ1C1>ρ2C2,表明在桩身相应位置混凝土质量较差,发生了离析或断桩,反射波和入射波同相位。②假定桩身材料的性质不变,即ρ1C1=ρ2C2,则A1>A2,也就是说桩身的截面发生了变化,在桩身相应截面发生了缩颈,反射波和入射波同相位。
(2)当ψ<1时,分为两种情况:①假定桩身截面积不变,即A1=A2,则ρ1C1<ρ2C2,表明应力波由软材料向硬材料方向传波。②假定桩身材料的性质不变,即ρ1C1=ρ2C2,则A1
Lx=△t×C/2 (2)
2实测缺陷波形分析
(1)浅部扩颈,波形如图1所示。
图1浅部扩颈波形
桩长40.50m,桩径1.00m,C30。初步判断浅部扩颈。后经开挖验证,桩顶下2.2～3.4m出现扩颈。
(2)离析,波形如图2所示。
图2高析波形
桩长18. 5 m, 桩径1. 00 m, C30。取地质条件、设计成型、成桩工艺、混凝土标号相同的桩底反射信号明显的5 根I类桩的平均波速, 如表1 所列。
表1 平均波速 m/ s
根据平均波速3855m/s初步判定桩顶下4.9m处严重离析。后经取芯验证,在5.0m处开始严重离析,缺陷芯样长度为82cm,芯样为砂浆,无粗骨料。
(3)低频大信号,如图3所示。
图3低频大信号
桩长14.6m,桩径0.50m,C15。该桩检测出的波形为底频大信号,初步判断为浅部严重缺陷。后经验证在桩顶下1.2m处断桩。
(4)桩底没入岩,波形如图4所示。
图4桩底没入岩波形
桩长22.0m,桩径1.25m,C30,嵌岩桩。取地质条件、设计成型、成桩工艺、混凝土标号相同的桩底反射信号明显的5根%类桩的平均波速,如表2所列。
表2平均波速 m/s
按波形图中设定的桩底位置,根据施工单位提供的桩长22m,计算得出的波速为3934m/s,与平均波速很接近,根据所测波形结合地质情况初步判定为桩端没入岩。后用钻芯法验证桩端入岩情况,桩端没有入岩。
3低应变反射波法检测分析注意事项
3.1现场桩头的处理
在现场信号采集的过程中,桩头的处理是非常关鍵的一步。由于桩头处理得不好,往往不能采集到理想的信号。桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止,粘接传感器和进行激振的位置要尽量打磨平整、处理干净,不能破碎,不要有杂物和水。最常见的情况就是桩头的浮浆清理不彻底,采集到的信号都不理想,往往在信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲,不能客观地反映桩身的完整性情况。另外在锤击的过程如果出现将敲击处混凝土敲破碎的情况,应重新打磨一个平整的激振点。
3.2传感器的选择及安装
在现场检测过程中选用速度传感器和加速度传感器进行对比检测。选用速度传感器采集的波形曲线,对浅层缺陷反应不是很明显,而选用高灵敏度加速度传感器测试所采集到的波形曲线,没有振荡,并且缺陷反应明显。对实心桩,传感器安装位置宜为距桩中心2/3半径处;对空心桩,激振点与传感器安装位置宜在同一水平面上,且与桩中心连线形成的夹角宜为90&,传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。耦合剂可选用粘性好的黄油、牙膏等,保证传感器与桩头粘接牢固、密贴、无气泡,传感器纵轴应安装垂直。传感器安装不牢固会导致波形杂乱、振荡明显,不利于对基桩的分析判断。
3.3激振设备的选择
低应变动力检测在桩顶实施激振的设备一般为手锤或力棒,敲击桩顶时点击引起质点震动形成波动传播,在桩头附近可近似认为半球面波,远离桩头后可近似为平面波,由于检波器接收的是平面波,在桩头附近就会形成测试“盲区”。因此为了能够有效的识别浅层缺陷,应提高激振脉冲波频率以提高分辨率,同时尽量保证弹性波的垂直传播,减少浅部折射损失,所以发现浅层部位信号异常时,应用小钉锤进行激振,可更清楚地识别浅层缺陷的程度和位置。对较长桩的检测应用力棒或铁球进行激振,因其能量大、脉冲宽、频率低、衰减小,适用于桩底及深部缺陷的检测。
3.4波形分析
在对波形进行分析判定时应结合地质资料及施工记录等相关资料进行综合分析。应力波在桩身传播过程中,不仅受到桩身波阻抗变化的影响,还受到桩周地质情况变化的影响。如当桩周土从较硬土层变化到较软土层时,波形曲线会产生类似缩径的反射。很多缺陷都产生在有水的软弱地层或地层变化的地方,如不考虑地质变化的影响容易对基桩产生误判。当桩底反射信号不明显时可进行适当的指数放大,但放大倍数不应过大否则易使波形失真。对采集的原始信号进行适当的滤波,可以将测试信号中无用成分的波滤除掉,便于分析判断。值得注意的是低通滤波频率上限选择过低,容易掩盖浅层缺陷,导致漏判桩身缺陷。
4结束语
目前,低应变反射波法在桩基检测中具有快速、高效、准确基桩等优点，但是检测尚处于探索发展阶段。随着检测经验的积累、理论的完善,检测仪器的改进,在桩基工程质量检测中反射波法必将发挥出更大的作用,取得更大的社会效益和经济效益，因此，低应变反射波在桩基检测方面值得研究及大力推广。
参考文献
[1] 李刚，低应变反射波法在基桩检测中的应用[J]山西焦煤科技，2008.10
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。