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摘要：桩基质量常见问题中很大一部分属于桩基完整性方面，本文主要结合实例应用对利用反射波法检测基桩完整性的技术应用做了重点分析。
关键词：反射波法；桩基完整性；检测技术
Abstract: The common problem of pile foundation quality in large part of pile integrity, this paper combined with an application made a key analysis on the use of reflection wave method in pile integrity detection technology application.
Key words: reflection wave method; pile integrity; detection technology;
中图分类号：TU473.1
桩基础是主要基础型式，是地下隐蔽工程，承受建筑物的全部荷载并将其传递给地基，基桩质量的好坏直接关系到建筑物的安全。桩身缺陷会引起基础失稳。必须在上部结构施工前找出并处理缺陷桩。基桩检测做为建筑工程施工试验的重要组成部分，从实际工程检测应用来看，反射波法是基桩完整性检测中最为有效、应用最普遍技术方法。本文将对利用反射波法检测基桩完整性的技术应用做重点分析。
反射波法检测基桩完整性的方法应用
在桩顶竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播,当桩身存在明显波阻抗差异的界面或桩身截面积发生变化，将产生反射波，经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算，判断桩身混凝土的完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。桩的典型弹性体模型是直杆的纵向振动，在推導直杆的纵向振动方程时，基本假定材料均匀等截面直杆，直杆变形中横截面保持为平面且彼此平行，直杆横截面上应力分布均匀并忽略直杆的横向惯性效应[1]。反射波法可适用于检测桩身混凝土的完整性，推定缺陷类型及其在桩身中的位置，也可对桩长进行核对，对桩身混凝土的强度等级作出估计。
反射波法的测试系统由激振设备，传感器，放大器和信号采集分析仪四部分组成。
(1)激振设备
常用方法是采用手锤，力棒或自由落体球激振，其机理建立在碰撞理论基础上。试验表明只有通过敲击产生合适的振源，才有可能得到正确的波形曲线。常规振源为一瞬态脉冲信号，力幅度，脉冲宽度和主瓣宽度是衡量它的三项主要指标。
(2)传感器
振动测试中常用的传感器有加速度传感器，速度传感器，位移传感器和力传感器。
(3)放大器
电压放大器和电荷放大器：两种放大器有以下特点：具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗；能将加速度传感器的微小电信号加以放大并变成容易测量的电压信号；在与不同灵敏度的加速度传感器相配合时，均能输出电压达到归一[2]。放大系统的增益应大于60dB，长期变化量应小于1％。折合输入端的噪声水平应低于3μV。频带宽度应不窄于10～1000Hz，滤波频率可调整。
(4)信号采集分析仪
在信号采集分析仪中采样是通过A/D转换器试验的。要求信号采集分析仪体积小，质量轻，性能稳定便于野外使用，同时应具备数据采集，记录存储，数字计算和信号分析功能。多道采集系统应具有一致性，其振幅偏差应小于3％，相位偏差应小于0.1ms。2、桩基检测现场测试要点
当随机干扰较大时，可采用信号增强方式，进行多次重复激振与接收。为提高检测的分辨率，应使用小能量激振，并选用高截止频率的传感器和放大器。判别桩身浅部缺陷，可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收，进行辅助判定。每一根被检测的单桩均应进行二次及以上重复测试。出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试，重复测试的波形与原波形应具有相似性。
反射波法测桩时，不能一成不变地使用一种桩头。桩越长，应选择越软越重直径越大的锤；桩越短应选择越硬越轻直径越小的锤。开始检测的头几根桩应多花一些时间进行试敲，对施工质量情况有了大概了解后，再大量敲击试验。
敲击时应尽量使力垂直作用于桩头，有利于抑制质点的横向振动。还要避免传感器安装不紧，安装位置距捶击点太近等人为因素，才能将真正由桩身缺陷导致的反冲辨别出来。现场测试时必须对各种可疑的桩身缺陷及时分析，一般要求获得3条重复性较好的测试曲线.3、测试结果的计算分析 （1）信号后处理①数字滤波采用数字滤波滤去与桩身质量无关的干扰频率，增大有效波成分，以便波形能真实反映桩身完整性情况。②时变增益放大应力波沿桩身传播时会随传播距离的增加信号衰减严重，给动态诊断带来很大困难[3]。为此，反射波法测试系统中常采用时变增益放大环节，以桩顶同一测点处的入射波与桩底反射波信号之间的时差为区间，在此区间内，放大增益按时间的指数函数增加。
反射波法桩底信号指数放大的倍数取决于桩长及桩周介质，桩越长，放大倍数应取得越大。桩周介质越坚硬，对敲击产生的波场的扩散作用越明显，放大倍数也应设定得越大。
（2）时域分析及频域分析
时域分析及频域分析是试验振动分析中的重要环节。时域分析中反射波法检测桩身质量时，桩身混凝土的波速是重要的判断依据。判断桩身缺陷存在与否,需分辨实测曲线中有无缺陷的反射信号,及分辨桩底反射信号,这对缺陷的定性及定量解释是有帮助的。桩底反射明显,一般表明桩身完整性好,或缺陷轻微规模小。
此外,还应分析地层等资料,排除由于桩周土层波阻抗变化过大等因素造成的“假反射”现象。根据完整桩的首次桩底反射时间T计算该桩的平均波速Vpm:Vpm=2L/T。
由该工程完整桩的平均波速V，计算缺陷位置： Li＝（1/2）·Vpm·Ti
反射波波形规则，波列清晰，桩底反射波明显，易于读取反射波到达时间，及桩身混凝土平均波速较高的桩为完整性好的单桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间；且波幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射波的桩，系桩身断裂。桩身混凝土严重离析时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判别。当有多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应仔细辨别，并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析。有条件时尚可使用多种检测方法进行综合判断。桩体浅部断裂的定性评价，可通过横向激振，比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。
在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定另外,可按换算桩身平均纵波速Vpm评价桩身是否有缺陷及其严重程度。波速与混凝土强度呈正相关关系的特点，即混凝土强度等级越高，波速越大。
频域分析对测试信号作时、频域综合分析，是动态测试的普遍做法。在桩基测试中，要对桩身完整性做出正确的判断，频域分析可以通过研究桩身振动频谱的组成情况，判断出仪器频响、测试技术及数据处理方法等对测试信号和测试结果产生的影响。使用频域分析可以弥补时域分析的不足。现场测试时，频域分析可以产生合适的振源。频域分析可以找出和排除各种干扰频率。利用频域分析可以计算出桩长及相应的缺陷位置。
4、桩基完整性检测工程实例
图1CFG桩实测速度波形
CFG桩实测速度波形如图1。该桩设计桩长16m，桩径400，桩身强度C20。桩周土层为强度较低新近沉积的粘性土，虽然长径比达到40，但桩底反射波形依然比较明显。在桩身4.5m处有不强的反射波出现，此反射波应为缩径的反映。
图2钻孔灌注桩实测速度波形
河北沧州某工程，钻孔灌注桩，波形图见图2，设计桩长45m，设计桩径1000mm，约5.2m处扩径反应。
应用效果及局限：
桩基质量通常存在问题很大一部分是属于桩身完整性，常见的缺陷有夹泥、断裂、缩径、扩径、混凝土离析及桩顶混凝密实性较差等。反射波法是目前效果较好，技术应用较为普遍的基桩完整性检测方法。不过反射波法检测桩基完整性也有局限性。一是无法对缺陷准确定性。目前根据波阻抗的变化，仅能将缺陷区分成缩颈类、扩颈类，进一步确定缺陷性质需要检测经验及其它补充资料。二是对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速不准，据此计算的缺陷位置误差在10％左右。缺陷在桩轴向的高度及径向的分布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算。三是对阻抗渐变类的缺陷难以判断，甚至可能得出相反的结论。如桩身渐缩后突然恢复到原截面，则可能得出桩身存在扩颈的结论。四是桩身存在多个缺陷时，深部缺陷易漏判，如第一缺陷在浅部，尚可以开挖并凿去上部缺陷再进行检测，否则只能通过其它方法进一步检测。五是长径比超过一定限度的桩、浅部缺陷或太小的缺陷，反射波法都无法正确检测。这就需要通过其它的方法补充从而更为准确的检测桩基的完整性。参考文献：
[1] 钟亮根.低应变反射波法在桩基施工质量检测中的应用[J].铁道标准设计,2012,(4):35-37.DOI:10.3969/j.issn.1004-2954.2012.04.010.
[2] 贠永峰,张存明,王军舰等.反射波法在基桩动测中的应用[J].中外公路,2011,31(5):183-185.
[3] 王飞翔.浅析应用反射波法对桩基进行检测[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(7).
关键词：反射波法；桩基完整性；检测技术
Abstract: The common problem of pile foundation quality in large part of pile integrity, this paper combined with an application made a key analysis on the use of reflection wave method in pile integrity detection technology application.
Key words: reflection wave method; pile integrity; detection technology;
中图分类号：TU473.1
桩基础是主要基础型式，是地下隐蔽工程，承受建筑物的全部荷载并将其传递给地基，基桩质量的好坏直接关系到建筑物的安全。桩身缺陷会引起基础失稳。必须在上部结构施工前找出并处理缺陷桩。基桩检测做为建筑工程施工试验的重要组成部分，从实际工程检测应用来看，反射波法是基桩完整性检测中最为有效、应用最普遍技术方法。本文将对利用反射波法检测基桩完整性的技术应用做重点分析。
反射波法检测基桩完整性的方法应用
在桩顶竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播,当桩身存在明显波阻抗差异的界面或桩身截面积发生变化，将产生反射波，经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算，判断桩身混凝土的完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。桩的典型弹性体模型是直杆的纵向振动，在推導直杆的纵向振动方程时，基本假定材料均匀等截面直杆，直杆变形中横截面保持为平面且彼此平行，直杆横截面上应力分布均匀并忽略直杆的横向惯性效应[1]。反射波法可适用于检测桩身混凝土的完整性，推定缺陷类型及其在桩身中的位置，也可对桩长进行核对，对桩身混凝土的强度等级作出估计。
反射波法的测试系统由激振设备，传感器，放大器和信号采集分析仪四部分组成。
(1)激振设备
常用方法是采用手锤，力棒或自由落体球激振，其机理建立在碰撞理论基础上。试验表明只有通过敲击产生合适的振源，才有可能得到正确的波形曲线。常规振源为一瞬态脉冲信号，力幅度，脉冲宽度和主瓣宽度是衡量它的三项主要指标。
(2)传感器
振动测试中常用的传感器有加速度传感器，速度传感器，位移传感器和力传感器。
(3)放大器
电压放大器和电荷放大器：两种放大器有以下特点：具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗；能将加速度传感器的微小电信号加以放大并变成容易测量的电压信号；在与不同灵敏度的加速度传感器相配合时，均能输出电压达到归一[2]。放大系统的增益应大于60dB，长期变化量应小于1％。折合输入端的噪声水平应低于3μV。频带宽度应不窄于10～1000Hz，滤波频率可调整。
(4)信号采集分析仪
在信号采集分析仪中采样是通过A/D转换器试验的。要求信号采集分析仪体积小，质量轻，性能稳定便于野外使用，同时应具备数据采集，记录存储，数字计算和信号分析功能。多道采集系统应具有一致性，其振幅偏差应小于3％，相位偏差应小于0.1ms。2、桩基检测现场测试要点
当随机干扰较大时，可采用信号增强方式，进行多次重复激振与接收。为提高检测的分辨率，应使用小能量激振，并选用高截止频率的传感器和放大器。判别桩身浅部缺陷，可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收，进行辅助判定。每一根被检测的单桩均应进行二次及以上重复测试。出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试，重复测试的波形与原波形应具有相似性。
反射波法测桩时，不能一成不变地使用一种桩头。桩越长，应选择越软越重直径越大的锤；桩越短应选择越硬越轻直径越小的锤。开始检测的头几根桩应多花一些时间进行试敲，对施工质量情况有了大概了解后，再大量敲击试验。
敲击时应尽量使力垂直作用于桩头，有利于抑制质点的横向振动。还要避免传感器安装不紧，安装位置距捶击点太近等人为因素，才能将真正由桩身缺陷导致的反冲辨别出来。现场测试时必须对各种可疑的桩身缺陷及时分析，一般要求获得3条重复性较好的测试曲线.3、测试结果的计算分析 （1）信号后处理①数字滤波采用数字滤波滤去与桩身质量无关的干扰频率，增大有效波成分，以便波形能真实反映桩身完整性情况。②时变增益放大应力波沿桩身传播时会随传播距离的增加信号衰减严重，给动态诊断带来很大困难[3]。为此，反射波法测试系统中常采用时变增益放大环节，以桩顶同一测点处的入射波与桩底反射波信号之间的时差为区间，在此区间内，放大增益按时间的指数函数增加。
反射波法桩底信号指数放大的倍数取决于桩长及桩周介质，桩越长，放大倍数应取得越大。桩周介质越坚硬，对敲击产生的波场的扩散作用越明显，放大倍数也应设定得越大。
（2）时域分析及频域分析
时域分析及频域分析是试验振动分析中的重要环节。时域分析中反射波法检测桩身质量时，桩身混凝土的波速是重要的判断依据。判断桩身缺陷存在与否,需分辨实测曲线中有无缺陷的反射信号,及分辨桩底反射信号,这对缺陷的定性及定量解释是有帮助的。桩底反射明显,一般表明桩身完整性好,或缺陷轻微规模小。
此外,还应分析地层等资料,排除由于桩周土层波阻抗变化过大等因素造成的“假反射”现象。根据完整桩的首次桩底反射时间T计算该桩的平均波速Vpm:Vpm=2L/T。
由该工程完整桩的平均波速V，计算缺陷位置： Li＝（1/2）·Vpm·Ti
反射波波形规则，波列清晰，桩底反射波明显，易于读取反射波到达时间，及桩身混凝土平均波速较高的桩为完整性好的单桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间；且波幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射波的桩，系桩身断裂。桩身混凝土严重离析时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判别。当有多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应仔细辨别，并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合分析。有条件时尚可使用多种检测方法进行综合判断。桩体浅部断裂的定性评价，可通过横向激振，比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。
在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定另外,可按换算桩身平均纵波速Vpm评价桩身是否有缺陷及其严重程度。波速与混凝土强度呈正相关关系的特点，即混凝土强度等级越高，波速越大。
频域分析对测试信号作时、频域综合分析，是动态测试的普遍做法。在桩基测试中，要对桩身完整性做出正确的判断，频域分析可以通过研究桩身振动频谱的组成情况，判断出仪器频响、测试技术及数据处理方法等对测试信号和测试结果产生的影响。使用频域分析可以弥补时域分析的不足。现场测试时，频域分析可以产生合适的振源。频域分析可以找出和排除各种干扰频率。利用频域分析可以计算出桩长及相应的缺陷位置。
4、桩基完整性检测工程实例
图1CFG桩实测速度波形
CFG桩实测速度波形如图1。该桩设计桩长16m，桩径400，桩身强度C20。桩周土层为强度较低新近沉积的粘性土，虽然长径比达到40，但桩底反射波形依然比较明显。在桩身4.5m处有不强的反射波出现，此反射波应为缩径的反映。
图2钻孔灌注桩实测速度波形
河北沧州某工程，钻孔灌注桩，波形图见图2，设计桩长45m，设计桩径1000mm，约5.2m处扩径反应。
应用效果及局限：
桩基质量通常存在问题很大一部分是属于桩身完整性，常见的缺陷有夹泥、断裂、缩径、扩径、混凝土离析及桩顶混凝密实性较差等。反射波法是目前效果较好，技术应用较为普遍的基桩完整性检测方法。不过反射波法检测桩基完整性也有局限性。一是无法对缺陷准确定性。目前根据波阻抗的变化，仅能将缺陷区分成缩颈类、扩颈类，进一步确定缺陷性质需要检测经验及其它补充资料。二是对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速不准，据此计算的缺陷位置误差在10％左右。缺陷在桩轴向的高度及径向的分布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算。三是对阻抗渐变类的缺陷难以判断，甚至可能得出相反的结论。如桩身渐缩后突然恢复到原截面，则可能得出桩身存在扩颈的结论。四是桩身存在多个缺陷时，深部缺陷易漏判，如第一缺陷在浅部，尚可以开挖并凿去上部缺陷再进行检测，否则只能通过其它方法进一步检测。五是长径比超过一定限度的桩、浅部缺陷或太小的缺陷，反射波法都无法正确检测。这就需要通过其它的方法补充从而更为准确的检测桩基的完整性。参考文献：
[1] 钟亮根.低应变反射波法在桩基施工质量检测中的应用[J].铁道标准设计,2012,(4):35-37.DOI:10.3969/j.issn.1004-2954.2012.04.010.
[2] 贠永峰,张存明,王军舰等.反射波法在基桩动测中的应用[J].中外公路,2011,31(5):183-185.
[3] 王飞翔.浅析应用反射波法对桩基进行检测[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(7).