時域反射法探測樁身缺陷的模型試驗研究

齊 添，李水江，童艷光，楊 軍，趙亞宇

（1、廣州環(huán)保投資集團有限公司 廣州510330；2、廣州市市政工程試驗檢測有限公司 廣州510520；3、華南理工大學土木與交通學院 廣州510641）

0 引言

目前常用的樁基完整性檢測方法包括低應變法、高應變法、聲波透射法、鉆芯法和管波法等，各種方法均有其優(yōu)勢以及局限性。例如，低應變法簡便、效率高、成本低，但對于復雜地層條件和較小缺陷的樁身完整性評判效果不佳；高應變法對樁身完整性判定效果較好，但操作復雜、成本高、效率低；聲波透射法可以進行不同樁長和缺陷數(shù)量的樁身完整性檢測，但無法識別樁底沉渣和水平細微裂縫等；鉆芯法可以獲得直觀的檢測結(jié)果，但無法反映未鉆孔部位的樁身完整性［1-9］。

時域反射技術(shù)（Time Domain Reflection，TDR）是近年來新興的一種綠色環(huán)保無損檢測技術(shù)，因具有方便、安全、經(jīng)濟、數(shù)值化以及可遠程控制等優(yōu)點，被廣泛應用于各種物體形態(tài)特征的檢測和空間定位。由于時域反射技術(shù)可以精確檢測土壤含水量和導電性能等性能，TDR 廣泛應用于土壤物理參數(shù)的測定，可以用于獲取土壤的水熱動態(tài)和物理參數(shù)、鑒定土壤的污染情況，并進一步運用于地質(zhì)水文條件和地質(zhì)災害的檢測和判定［10-15］。李海濤等學者分別研究了時域反射技術(shù)對于溶洞塌陷監(jiān)測、道路邊坡監(jiān)測和滑坡監(jiān)測等方面的應用，取得了較好的應用效果［16-18］。然而，該技術(shù)在樁基施工質(zhì)量缺陷檢測方面鮮有應用。

本文以時域反射技術(shù)檢測樁基完整性為研究對象，設計和加工了不同缺陷模型樁開展測試，進行時域反射法檢測和評價樁基缺陷的試驗研究，著重探討了不同影響因素作用下，TDR 技術(shù)對樁身縮頸（夾泥）缺陷的檢測效果，并對比分析不同樁周土體（非飽和、飽和）狀態(tài)中電磁波測試信號的變化規(guī)律。

1 測試原理

時域反射法原理如圖1 所示，通過測量電磁波的傳播速度來識別傳輸線特性的一種檢測技術(shù)。時域反射計是一種基于時域反射法的電子測試儀器，該儀器激發(fā)階躍函數(shù)或正弦脈沖電磁波信號，該信號會在故障點發(fā)生反射，所產(chǎn)生的反射波被識別后可以用來判斷故障的位置和情況。

圖1 典型TDR設置的等效電路Fig.1 Equivalent Circuit for Typical TDR Settings

TDR 測試儀激發(fā)的電磁波信號在鋼筋籠主筋和導線構(gòu)成的傳輸線上進行傳播；在遇到樁基鋼筋籠周圍環(huán)境的介質(zhì)改變時，其阻抗就會發(fā)生變化，進而會導致電磁波信號發(fā)生反射；TDR 測試儀接收器接收反射信號并實時反映到示波器上，形成電磁波時域反射曲線圖，圖2為基于TDR的基樁缺陷檢測系統(tǒng)。

圖2 基于TDR的基樁缺陷檢測系統(tǒng)Fig.2 Defect Detection System of Pile Foundation Based on TDR

通過對圖2 中電磁波時域反射曲線圖的分析，可以對電纜阻抗變化位置和程度實現(xiàn)有效判定，進而實現(xiàn)樁基完整性檢測的目的。其中，通過估算電磁波發(fā)射時刻與阻抗失配端回波到達時刻之間的時間間隔△t 和電磁波傳播波速vp，可以計算出阻抗不匹配位置，如式⑴所示:

式中:L為阻抗不匹配位置，當阻抗不匹配為樁端時，L=L0（L0為樁頂?shù)綐兜椎木嚯x）；當阻抗不匹配為樁間時，L=Li（Li為阻抗不匹配點的位置）；i 為阻抗不匹配點數(shù)。

2 缺陷模型樁測試試驗

本次試驗在3種不同環(huán)境下對不同類型的模型樁進行測試:①模型樁置于空氣中；②模型樁埋入干土中；③模型樁埋入濕土中。傳輸線采用與鋼筋籠主筋并排設置的線纜，再使用時域反射技術(shù)生成和檢測電磁波反射信號。時域檢測法的儀器設備主要包括:TDR200 時域反射計和測試線纜。TDR200 時域反射計可準確測量土壤體積含水量、土壤容重電導率、巖體變形以及斜坡穩(wěn)定或自定義時域測量。測試線纜為SYV50-3 同軸電纜，阻抗為50±2Ω，電磁波傳播速度為66%vc（vc為光速，vc=3.0×108m/s）。

如圖3所示，本次試驗模型樁為長1.0 m，直徑0.6 m的圓柱形樁段。鋼筋籠的直徑和高度分別為0.4 m 和1.2 m。鋼筋籠由8 根φ 18 的主筋和5 根φ 8 的圓形加強箍筋組成。主筋以等間距排列成圓形。加強箍筋從底部按間隔0.2 m 安裝。主筋和箍筋之間連接方式為焊接。采用42.5 MPa 的普通硅酸鹽水泥，粒徑為0.1～2.0 mm 級配良好的水洗河砂，水泥∶砂子∶碎石∶水=1∶1.862∶2.794∶0.45。混凝土標號為C30。

圖3 模型樁設計與測試試驗Fig.3 Design and Tests of Model Piles

模型樁共制作3 個，單缺陷樁缺陷尺寸為10 cm×10 cm×12 cm、20 cm×10 cm×12 cm 和30 cm×10 cm×12 cm，雙缺陷樁的缺陷尺寸為10 cm×10 cm×12 cm。采用預埋聚苯乙烯泡沫塑料塊的方式模擬樁的缺陷?；炷翝仓礃藴署B(yǎng)護28 d后，將樁體從PVC 圓套筒中取出，并移除泡沫塑料塊。隨后分別在空氣和砂土中進行檢測試驗，研究土體飽和程度對測試結(jié)果的影響。傳輸線纜預先綁扎在鋼筋籠主筋上，傳輸線接線采用2根線纜并聯(lián)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 周圍介質(zhì)的影響

3.1.1 空氣中的模型樁

空氣中3 根模型樁的測試信號如圖4 所示。總體來看，在模型樁缺陷段和樁底位置能看到較清晰的反射信號。對于無缺陷模型樁，樁身范圍內(nèi)電壓信號基本穩(wěn)定，樁端位置因開路阻抗增大出現(xiàn)正向反射；對于單缺陷模型樁，當缺陷靠近樁身中部時，缺陷位置對應信號反射特征最為清晰，當缺陷靠近樁頂時，因受樁頂反射波形疊加影響，該位置反射特征不太清晰，靠近樁底時也將對樁底反射信號造成疊加干擾；對樁身具有連續(xù)缺陷分布時，上部缺陷較為明顯，下部缺陷因透射電磁波能量減弱，其振幅有較明顯的削弱，其他規(guī)律則與單缺陷時基本一致。從電磁波傳播時間來看，模型樁P1的4根線纜位置均被水泥漿完全包圍，周圍無缺陷，測量信號的傳播時間幾乎相同，約為17.62～17.79 ns 之間（平均速度為1.13×108m/s）。相比無缺陷樁基，帶缺陷模型樁中電磁波傳播時間略微有所減小，其樁底平均反射時間約為17.54 ns。

圖4 空氣中模型樁時域電磁波反射曲線Fig.4 Time Domain Electromagnetic Wave Reflection Curves of Model Piles in the Air

3.1.2 土體中的模型樁

圖5給出了模型樁位于干土和濕土中時測得的時域電磁波反射曲線。由圖5a可以看出，當樁身無混凝土澆筑缺陷時，不論模型樁位于空氣中還是不同含水率的土體中，其時域電磁波反射曲線基本不發(fā)生變化，這也證明線纜內(nèi)電磁波僅僅受其周圍很小半徑范圍（半徑小于鋼筋保護層厚度）介質(zhì)材料性質(zhì)影響。同樣，當缺陷位于樁頂位置附近時，電磁波反射信號發(fā)生疊加，缺陷判別十分困難。對于有連續(xù)缺陷分布的情況，受上部缺陷反射波信號疊加干擾，下部缺陷波形特征有所減弱。

圖5 土體中模型樁時域電磁波反射曲線Fig.5 Time Domain Electromagnetic Wave Reflection Curves of Model Piles in the Soil

與空氣中的反射波形相比，缺陷位置反射波振幅因傳輸線周圍介質(zhì)阻抗減小而降低。從電磁波傳輸速率來看，土體中無缺陷模型樁的平均傳輸時間為17.71 ns，與空氣中模型樁基本一致。

3.2 測試電磁波信號特征

時域電磁波反射技術(shù)是將產(chǎn)生的階躍函數(shù)作為輸入信號，實測波形與理論輸入信號波形存在差異，主要與測量信號的上升時間退化（即信號失真）有關(guān)，即由電磁波在傳遞過程中發(fā)生衰減、頻散、介質(zhì)不連續(xù)等原因引起。由上述分析可知，阻抗差異界面上升時間衰減使得很難區(qū)分2 個相鄰的不連續(xù)面（缺陷）。導致測量信號的上升時間降低的原因可能為:①TDR設備與同軸電纜的連接；②同軸電纜和傳輸線（外接線纜）之間的連接；③由周圍材料（如混凝土）的高導電性引起的衰減和頻散；④頸縮缺陷在傳輸線上產(chǎn)生2 個不連續(xù)界面。當TDR 產(chǎn)生階躍函數(shù)時，信號失真通常發(fā)生在感應不連續(xù)（即橫截面變化）和由于介電特性變化而引起的阻抗變化之中。

3.3 樁身電磁波傳遞速率

模型樁中電磁波的速度由往返行程距離與時間之比計算，本次試驗波速計算結(jié)果如表1所示。

模型樁P1 在空氣中的電磁波傳播速度為1.13×108m/s，與土體中傳播速度基本一致。換句話說，當傳輸線周圍不存在缺陷時，在配置雙軸線纜構(gòu)成的傳輸線上傳遞的電磁波不受模型樁周圍土體性質(zhì)影響。帶缺陷模型樁在空氣中的電磁波傳遞速率（1.13×108m/s～1.15×108m/s）普遍大于無缺陷樁的傳遞速率（1.13×108m/s），這是因為電磁波速率受周圍材質(zhì)介電常數(shù)的影響。

電磁波在無缺陷樁中的傳播速度取決于混凝土的介電常數(shù)，而電磁波在有缺陷傳輸線上的傳播速度則同時取決于空氣和混凝土的介電常數(shù)。由于混凝土的介電常數(shù)大于空氣，電磁波在傳輸線上的傳播速度隨著空氣中模型樁缺陷數(shù)量的增加而增加。這就可以解釋為何空氣中單缺陷模型樁的電磁波速率高于無缺陷樁，但低于具有雙缺陷的模型樁。另外，根據(jù)不同材料介電常數(shù)的差異，可以對干砂、濕砂和空氣中電磁波傳遞速率的大小關(guān)系進行合理解釋。

3.4 縮徑缺陷位置計算

根據(jù)樁底反射信號時間計算模型樁電磁波平均傳遞速率，再由缺陷反射時間與波速可計算求得缺陷位置。表2 給出了各模型樁主要缺陷位置的計算結(jié)果。對于單缺陷模型樁，缺陷深度計算值與實際值的偏差不超過10%。對于多缺陷樁，缺陷計算值與實際相差有所增大，這與電磁波通過多個缺陷時期傳播速率增加幅度增大有關(guān)?？傮w來看，缺陷計算的精度是能夠滿足實際工程要求的。

4 結(jié)論

時域反射法可用于樁身完整性的檢測，對縮頸缺陷位置和數(shù)量的判定準確性較高，在模型樁缺陷段和樁底位置能獲得較清晰的反射信號。具體結(jié)論如下:

⑴在模型樁缺陷段和樁底位置能看到較清晰的反射信號。當缺陷位于樁頂位置附近時，電磁波反射信號發(fā)生疊加，缺陷判別較困難；位于樁身中部時，缺陷位置對應信號反射特征最為清晰；位于下部時缺陷因透射電磁波能量減弱，其振幅有較明顯的削弱。

⑵樁周介質(zhì)變化對于時域電磁波反射曲線影響較小，僅在周圍很小半徑范圍（半徑小于鋼筋保護層厚度）內(nèi)有所影響；樁周不同介質(zhì)條件下電磁波傳播速度基本一致；樁周介質(zhì)為土體時阻抗較空氣小，導致反射波振幅有一定降低。

表1 模型樁中電磁波傳播時間與速率Tab.1 Propagation Time and Velocity of Electromagnetic Waves in Model Piles

表2 模型樁缺陷位置計算結(jié)果匯總Tab.2 Summary of Calculation Results of Defect Location of Model Piles

⑶時域電磁波的實測波形和理論波形存在一定差異，這可能是因為電磁波傳遞過程中發(fā)生的衰減、頻散、介質(zhì)不連續(xù)等；時域反射法對樁縮頸缺陷位置的檢測值和實際值的存在一定偏差，這是由于不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同導致了電磁波的波速變化，但誤差均在實際工程要求的精度范圍內(nèi)。