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摘要：基于一维波动理论的低应变反射波法基桩动测技术，在保证桩基础工程的质量安全中得以成功应用，在理论与实践中掌握这一技术是搞好基桩监控与检测的有效手段。运用一维波动理论从基桩波阻抗的变化，确定基桩完整性等质量问题，同时对工程实践及检测设备的掌握，以保证基桩检测的真实可靠。
关键词：桩基础；基桩动测技术；反射波法；工程实践
1 前言
随着我国经济建设的蓬勃发展，桩基础被广泛应用。然而，桩基础的质量检测一直是十分棘手的问题。基桩动测技术的广泛应用有效地填补了静力试桩的不足，促进了桩基工程发展的需求。
基桩动测技术是一门新兴的多学科的交叉学科，它不仅涉及建筑工程、地质学、材料科学而且是声学、电子技术、计算机技术的综合应用。因此，从理论上和实践上掌握这一技术，是搞好基桩监控和检测的有效手段。
2 反射波法的基本原理
反射波法检测基桩完整性技术是以一维波动理论为基础的。当满足入射波长大于桩径即、桩长大于桩径即：λ>D、L>D时，基桩可视为一维弹性杆件。我们在桩顶施以激振力时，基桩中将被激发出弹性压缩波，这一纵向弹性应力波具有波的特性，遵循波的传播规律，它以速度C沿桩身向下传播。根据一维波动理论我们知道，弹性杆中的波阻抗是表征介质材料在动荷载下力学特征的基本参数，它是弹性赶件的横截面积、材料密度和材料弹性模量的函数即：Z=E·A/C=ρ·C·A （1）
式中：Z-波阻抗（N·S/m）；C-应力波波速（m/s）；E-弹性模量（N/m?）；ρ-材料密度（㎏/m?）；A-横截面积（㎡）。
应力波沿桩身向下传播，按照波的传播规律，当桩身的介质发生变化即桩身波阻抗发生变化时，应力波将在介质的分界面上产生反射和透射。不考虑柱周阻尼的影响，入射应力波在变阻抗处产生的反射波与透射波的幅植大小及方向有如下关系： Vr=-F·V? （2） Vt=Ψ·T·V? （3）式中Ψ=ρ?·C?·A?/ρ?·A?·C?（介质1与介质2的波阻抗比）；F=（1-Ψ）/（1+Ψ）（反射系数）；T=2/（1+Ψ）（透射系数）；
Vr、V?、Vt表示介质分界面处质点振动速度，下标r、?、t分别表示入射、反射和透射。
由公式（1）（2）分析我们可知，一维弹性桩的波阻抗Z=ρCA 其值总是正的，所以Ψ 总是大于零的值，透射系数T也总是正值，就是说透射波与反射波的相位总是同相的。反射波与入射波的相位关系则根据反射系数的正负可以是同相的，也可以是反相的。
（1）Ψ>1，则ρ?·C?·A?>ρ?·A?C?，F<0，这时反射波与入射波同相位.对于F<0一般有如下几种情况；
1、A?=A?，而ρ?·C?>ρ?·C?即杆件截面无变化，相当于应力波从硬材料向软材料传播，类似与断柱、离析或摩擦桩的桩底反射；
2、ρ?·C?=ρ?·C?，A?>A?即杆件材料不变，应力波由大截面向小截面传播，类似于基桩中的缩颈。
（2）Ψ<1，则ρ?C?A?<ρ?A?C?，F>0.这时反射波与入射波相位相反.对于F>0，同样有两种情况即；
1、A?=A?，而ρ?·C?<ρ?·C?即杆件截面无变化，相当于应力波从软材料向硬材料传播；
2、ρ?·C?=ρ?·C?，则A? 总之，在桩顶检测出反射波引起的桩顶质点的振动速度与入射波引起的桩顶质点振动速度的相位一致时，说明产生反射波的相应位置上存在着截面变小或混凝土质量较差的问题；反之，则表明在相应的位置上存在着扩径或桩底的嵌岩。波阻抗变化的相应位置，可由波速、时程、距离的关系求出，即：
△ T=2Lx/C （4）
公式（4）中：△T-反射周期；C-桩身应力传播速度；Lx-变阻抗位置距桩顶的深度。
3 反射波法的工程实践
以上所述，通过对基桩变阻抗界面处产生的反射波的相位、振幅和应力波的时差特征来判断基桩的缺陷性质、程度及位置。在工程实践中，基桩的情况千差万别，比理论描述的要复杂的多。以此本文就实践中常见的影响基桩动测得诸因素简要分析如下：
（1）基桩施工工艺及地质条件对反射波法检测结果的影响。基桩种类很多，常见的有打入桩和灌注桩。钢筋混凝土预制桩以其成桩工艺简单、质量易于控制，而成为打入桩中最常用的桩型。但由于地质勘察不细，桩锤选择不当所引起的质量问题还是存在的。主要表现在桩身上端1/3处的混混凝土开裂。
人工挖孔桩的质量问题主要发生在具有地下水或有流沙层的地质条件下。地下水渗流严重的土层或具有流沙层的地质条件，在人工挖孔桩的施工过程中极易发生护壁坍塌、土体失稳现象。
人工挖孔桩的成桩工艺还需要注意混凝土的二次灌注问题。通常在含有酸根离子的腐蚀性地下水条件下，基桩设计有抗酸混凝土和普通混凝土情况。二次灌注中的时间控制及施工缝清洗不净等因素常常造成严重的分层界面。
各种地质条件下，机械成孔灌注桩都是很好的选择。一般情况下水下灌注这类基桩缺陷形式主要表现为：混凝土不能连续浇灌而引起的透水层夹入桩体形成断桩或缩颈；导管提升过快引起的断桩或混凝土离析；泥浆护壁坍塌造成的夹泥；清孔时间过短，孔底沉渣太厚使桩底混凝土强度降低，近似于混凝土离析等。
振动沉管灌注在沉管过程中冲击力或振动力以弹性波方式在周围土体中衰减消散，靠近沉管周围土体垂直振动为主，较远处为水平振动。这种水平振动力以测向挤压土体，易把刚灌注的领桩挤断，尤以软硬交界土体处最易发生。另外，在拔管过快时，也极易产生较软土体挤压造成的缩颈或断桩。反射波法检测此类基桩时，参考地质资料，了解施工组织及跳打情况十分必要。
（2）传感器的特性及传感器的安装对反射波发的影响
反射波法对传感器有特殊的要求.传感器与激振点要保持较近的距离，以记录几十米长的桩身反射信号.同时，强烈的激振信号不畸变.因此传感器要有足够的量程和良好的阻尼特性。
我们所检测的基桩，因其材料特性及激振条件，要求接受到的信号频率在100Hz-1.5Hz之间。要记录满意的波形信号，只有在良好的激振条件与适应的检波器的结合下才能实现。常用的速度的谐振频率一般为F=5Hz-40Hz，带宽10Hz-2KHz，是符合波形记录条件要求的。
高阻尼的传感器，波形干净好看。锤击时只激发一个波峰，这样对检测较长桩的桩底反射及深部缺陷是有利的。不同的传感器可用于不同的检测目的。检波器要垂直紧固的安装在桩头表面，测桩前清除桩顶的浮浆，防止桩顶其他振源的干扰，这是检波器良好工作的前提。
（3）激振方式确定了激振频率与激振能量反射波法要求的激振频率的主频一般在100-1500Hz之间，使其与桩身的形状、材质、物理特性相匹配。不同的应力波，因不同的频率特性，其在桩身的传播也具有不同的衰减特征。所以根据桩身长度、桩身质量特性选择激振方式是非常重要。
4 結语
反射波法完成桩身质量的检测是一个综合技术的检测过程，每一个技术环节都影响着检测波的质量。理论联系实际，注意资料的分析整理，对每一个检测人员都是十分有益的。
关键词：桩基础；基桩动测技术；反射波法；工程实践
1 前言
随着我国经济建设的蓬勃发展，桩基础被广泛应用。然而，桩基础的质量检测一直是十分棘手的问题。基桩动测技术的广泛应用有效地填补了静力试桩的不足，促进了桩基工程发展的需求。
基桩动测技术是一门新兴的多学科的交叉学科，它不仅涉及建筑工程、地质学、材料科学而且是声学、电子技术、计算机技术的综合应用。因此，从理论上和实践上掌握这一技术，是搞好基桩监控和检测的有效手段。
2 反射波法的基本原理
反射波法检测基桩完整性技术是以一维波动理论为基础的。当满足入射波长大于桩径即、桩长大于桩径即：λ>D、L>D时，基桩可视为一维弹性杆件。我们在桩顶施以激振力时，基桩中将被激发出弹性压缩波，这一纵向弹性应力波具有波的特性，遵循波的传播规律，它以速度C沿桩身向下传播。根据一维波动理论我们知道，弹性杆中的波阻抗是表征介质材料在动荷载下力学特征的基本参数，它是弹性赶件的横截面积、材料密度和材料弹性模量的函数即：Z=E·A/C=ρ·C·A （1）
式中：Z-波阻抗（N·S/m）；C-应力波波速（m/s）；E-弹性模量（N/m?）；ρ-材料密度（㎏/m?）；A-横截面积（㎡）。
应力波沿桩身向下传播，按照波的传播规律，当桩身的介质发生变化即桩身波阻抗发生变化时，应力波将在介质的分界面上产生反射和透射。不考虑柱周阻尼的影响，入射应力波在变阻抗处产生的反射波与透射波的幅植大小及方向有如下关系： Vr=-F·V? （2） Vt=Ψ·T·V? （3）式中Ψ=ρ?·C?·A?/ρ?·A?·C?（介质1与介质2的波阻抗比）；F=（1-Ψ）/（1+Ψ）（反射系数）；T=2/（1+Ψ）（透射系数）；
Vr、V?、Vt表示介质分界面处质点振动速度，下标r、?、t分别表示入射、反射和透射。
由公式（1）（2）分析我们可知，一维弹性桩的波阻抗Z=ρCA 其值总是正的，所以Ψ 总是大于零的值，透射系数T也总是正值，就是说透射波与反射波的相位总是同相的。反射波与入射波的相位关系则根据反射系数的正负可以是同相的，也可以是反相的。
（1）Ψ>1，则ρ?·C?·A?>ρ?·A?C?，F<0，这时反射波与入射波同相位.对于F<0一般有如下几种情况；
1、A?=A?，而ρ?·C?>ρ?·C?即杆件截面无变化，相当于应力波从硬材料向软材料传播，类似与断柱、离析或摩擦桩的桩底反射；
2、ρ?·C?=ρ?·C?，A?>A?即杆件材料不变，应力波由大截面向小截面传播，类似于基桩中的缩颈。
（2）Ψ<1，则ρ?C?A?<ρ?A?C?，F>0.这时反射波与入射波相位相反.对于F>0，同样有两种情况即；
1、A?=A?，而ρ?·C?<ρ?·C?即杆件截面无变化，相当于应力波从软材料向硬材料传播；
2、ρ?·C?=ρ?·C?，则A?
△ T=2Lx/C （4）
公式（4）中：△T-反射周期；C-桩身应力传播速度；Lx-变阻抗位置距桩顶的深度。
3 反射波法的工程实践
以上所述，通过对基桩变阻抗界面处产生的反射波的相位、振幅和应力波的时差特征来判断基桩的缺陷性质、程度及位置。在工程实践中，基桩的情况千差万别，比理论描述的要复杂的多。以此本文就实践中常见的影响基桩动测得诸因素简要分析如下：
（1）基桩施工工艺及地质条件对反射波法检测结果的影响。基桩种类很多，常见的有打入桩和灌注桩。钢筋混凝土预制桩以其成桩工艺简单、质量易于控制，而成为打入桩中最常用的桩型。但由于地质勘察不细，桩锤选择不当所引起的质量问题还是存在的。主要表现在桩身上端1/3处的混混凝土开裂。
人工挖孔桩的质量问题主要发生在具有地下水或有流沙层的地质条件下。地下水渗流严重的土层或具有流沙层的地质条件，在人工挖孔桩的施工过程中极易发生护壁坍塌、土体失稳现象。
人工挖孔桩的成桩工艺还需要注意混凝土的二次灌注问题。通常在含有酸根离子的腐蚀性地下水条件下，基桩设计有抗酸混凝土和普通混凝土情况。二次灌注中的时间控制及施工缝清洗不净等因素常常造成严重的分层界面。
各种地质条件下，机械成孔灌注桩都是很好的选择。一般情况下水下灌注这类基桩缺陷形式主要表现为：混凝土不能连续浇灌而引起的透水层夹入桩体形成断桩或缩颈；导管提升过快引起的断桩或混凝土离析；泥浆护壁坍塌造成的夹泥；清孔时间过短，孔底沉渣太厚使桩底混凝土强度降低，近似于混凝土离析等。
振动沉管灌注在沉管过程中冲击力或振动力以弹性波方式在周围土体中衰减消散，靠近沉管周围土体垂直振动为主，较远处为水平振动。这种水平振动力以测向挤压土体，易把刚灌注的领桩挤断，尤以软硬交界土体处最易发生。另外，在拔管过快时，也极易产生较软土体挤压造成的缩颈或断桩。反射波法检测此类基桩时，参考地质资料，了解施工组织及跳打情况十分必要。
（2）传感器的特性及传感器的安装对反射波发的影响
反射波法对传感器有特殊的要求.传感器与激振点要保持较近的距离，以记录几十米长的桩身反射信号.同时，强烈的激振信号不畸变.因此传感器要有足够的量程和良好的阻尼特性。
我们所检测的基桩，因其材料特性及激振条件，要求接受到的信号频率在100Hz-1.5Hz之间。要记录满意的波形信号，只有在良好的激振条件与适应的检波器的结合下才能实现。常用的速度的谐振频率一般为F=5Hz-40Hz，带宽10Hz-2KHz，是符合波形记录条件要求的。
高阻尼的传感器，波形干净好看。锤击时只激发一个波峰，这样对检测较长桩的桩底反射及深部缺陷是有利的。不同的传感器可用于不同的检测目的。检波器要垂直紧固的安装在桩头表面，测桩前清除桩顶的浮浆，防止桩顶其他振源的干扰，这是检波器良好工作的前提。
（3）激振方式确定了激振频率与激振能量反射波法要求的激振频率的主频一般在100-1500Hz之间，使其与桩身的形状、材质、物理特性相匹配。不同的应力波，因不同的频率特性，其在桩身的传播也具有不同的衰减特征。所以根据桩身长度、桩身质量特性选择激振方式是非常重要。
4 結语
反射波法完成桩身质量的检测是一个综合技术的检测过程，每一个技术环节都影响着检测波的质量。理论联系实际，注意资料的分析整理，对每一个检测人员都是十分有益的。