基樁完整性檢測中反射波法的應用

陳榮杰

（廣東科致檢測技術(shù)服務有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引言

軟土基樁是指在壓縮性較高、抗剪強度較差的區(qū)域構(gòu)建的基樁。該類基樁負荷增加時較易發(fā)生變形，承載力相對較低，具有較高變形率和沉降量。基樁是工程的重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其建設(shè)質(zhì)量直接影響工程建設(shè)和使用安全性。反射波法是當前基樁完整性檢測常用方法之一，屬于無創(chuàng)檢測，適用范圍較廣。為保證準確檢測，應科學使用該技術(shù)。

1 基樁檢測中反射波檢測的應用優(yōu)點

反射波檢測是應用成本和操作難度較低的檢測方法，檢測設(shè)備要求較低，可用于樁身質(zhì)量普查，應用反饋較好，是建設(shè)方和施工方常用檢測方法。圖1 為建設(shè)工程反射波檢測。一維應力波理論是小應變的應用基礎(chǔ)，在基樁頂部設(shè)置傳感器，利用小錘向樁頂施壓，施壓作用下基樁產(chǎn)生應力波，分析應力波情況可了解樁土體系響應情況，在此基礎(chǔ)上反向推演，檢測速度信號，可初步評估基樁完整性[1]。應用此種方法時，將速度和力視為時間、深度函數(shù)，利用平截面假設(shè)作為研究基礎(chǔ)實施檢測評估。在錘擊施力時，樁頂受錘擊部位為點振源，圍繞點振源形成應力波，此種應力波近似半球面，具有橫波、縱波、表面波，向周圍傳播。在應力波傳播時，向下傳播的波陣面近似平面，因此可作為評估依據(jù)[2]。

圖1 建設(shè)工程反射波檢測

2 應用反射波法檢測基樁完整性的技術(shù)要點

2.1 技術(shù)分析

此種檢測的理論基礎(chǔ)是一維波動理論，采用數(shù)學方法構(gòu)建模擬樁，分析一維應力傳播方法，并且在此基礎(chǔ)上分析反射、投射、波的疊加等數(shù)據(jù)，觀察波形，檢出波形異常，即評估基樁完整性?；鶚顿|(zhì)檢中，受檢基樁即一維彈性直桿，在檢測時假設(shè)基樁材質(zhì)均勻，即正常情況下應為均為信號傳播界面，受力時截面處于平面狀態(tài)。對樁內(nèi)外阻力、表層摩擦力忽略不計，忽略樁周土支撐、約束影響，樁底彈簧替代上述影響。樁頂承受沖擊力時，形成一彈性脈沖波，以樁身為介質(zhì)向下傳播，基于牛頓第二定律、力平衡理論，可得出一維波動方程。

2.2 檢測前準備

反射波檢測中，首先應做好檢測準備。檢測前準備階段，應全面了解基樁所在區(qū)域地質(zhì)資料，并收集基樁施工記錄資料、樁位平面圖。

2.3 安裝設(shè)備及合理選擇激振方式

（1）傳感器設(shè)置。應選擇靈敏度較高的加速度傳感器設(shè)備，根據(jù)要求規(guī)范安裝傳感器，并且連接基樁動測儀?；鶚斗瓷洳z測設(shè)備如圖2 所示。

圖2 基樁反射波檢測設(shè)備

（2）合理選擇激振方式。檢測過程中，應分析實際檢測條件，選擇合適的激振方式，采用合適的能量強度，以期保證測試質(zhì)量。反射波法的激振器主要是手錘和力棒，錘擊力垂直于樁面，錘擊點盡可能在樁的軸心上，錘擊為瞬態(tài)單擊，不可連擊。對小樁、短樁或淺部有缺陷的樁，選用鐵錘，錘重可小些，以提高激發(fā)頻率，提高檢測分辨率。對大樁、長樁，選用尼龍錘或尼龍棒，錘可重些，以加大沖擊能量，并在敲擊處墊一層膠皮或其他軟墊，以加寬激發(fā)脈沖，減小彈性波在樁身中的衰減。傳感器安裝方面，應選擇軟連接方法，位置與樁心間距2/3 半徑，并且遠離鋼筋籠、錘擊點。清除浮渣后，采用手動砂輪磨平方法處理傳感器安裝點。樁身完整性檢測中，應盡量減少樁周土阻力影響，使反射波僅反映阻抗Z 的變化，采用小能量激振，以期減少土阻力激發(fā)，隨樁長增加、側(cè)阻力大的樁，激振能量要求適當提高，從而有效檢測出深部樁身缺陷以及樁底反射。

（3）合理設(shè)置樁激發(fā)條件。預制（管樁）樁檢測中，樁頭截除后，傳感器用耦合劑連接，樁長＜10m 時，選用5 磅鐵手錘（加雙層毛巾或膠皮墊），樁長10～20m 時，選用尼龍錘（加雙層毛巾），樁長＞20m 時，選用尼龍棒（加單層毛巾）。

人工挖孔樁檢測時，清除樁頭浮漿，傳感器位置磨平并用耦合劑連接，樁徑＜800mm 時傳感器設(shè)置3 點，樁徑＜1.2m 時傳感器設(shè)置4 點。

水下灌注鉆孔樁檢測中，破除樁頭保護層（＞500mm），傳感器位置磨平并用耦合劑連接，樁長＜10m 時，選用5 磅鐵手錘（加膠皮墊），樁長10～20m 時，選用尼龍錘，樁長＞20m 時，選用尼龍棒。

沉管樁檢測中，破除樁頭保護層，傳感器位置磨平并用耦合劑連接，樁長＜10m 時，選用5 磅鐵手錘（加膠皮墊），樁長10～20m 時，選用尼龍錘，樁長＞20m 時，選用尼龍棒。

（4）合理選擇檢測時間。樁基檢測過程中，混凝土強度大小對測試信號影響很大，經(jīng)過多年實踐認為樁身強度＞7d（溫度在5～25℃），并且當現(xiàn)場觀察樁頭顏色為青灰色，才能獲取清晰滿意波形。

2.4 檢測結(jié)果分析

在分析檢測結(jié)果時，應基于理論知識，同時結(jié)合經(jīng)驗進行綜合分析。在分析環(huán)節(jié)，應重點考慮以下方面。

（1）施工中部分基樁淺部可見顯著大頭，此種波傳播異常，或者界面區(qū)域產(chǎn)生異常強波反射，在此種作用下透射能力逐漸降低，局部面波反射，導致波形曲線與基樁下方實際情況不一致。此種情況下，應砸挖處理大頭部分，然后重新檢測。

（2）應重點關(guān)注擴徑樁基偶數(shù)次反射、入射波同相位和奇數(shù)次反射、入射波反相位，分析其特點差異，避免誤判。在此類分析中較易將徑偶數(shù)次反射誤判為樁基缺陷。

（3）護筒對樁基產(chǎn)生縮徑作用，此種縮徑和真實縮徑較易誤判，但是本質(zhì)上存在顯著區(qū)別。應注意區(qū)分擴徑后恢復正常樁徑產(chǎn)生的縮徑問題。此外，入巖區(qū)域嵌巖樁常見塌孔，此種情況較易誤判為反相樁底，進而錯誤評估樁長。同等條件下，混凝土強度越高，應力波傳播速度越快，但是二者并非簡單的函數(shù)關(guān)系，而是具有復雜的相關(guān)性。在實際檢測中，樁基所用骨料、外加劑、混凝土含水量、鋼筋含量、建設(shè)時施工工藝、后期樁基養(yǎng)護等因素均可能影響反射波檢測[2]。

（4）樁周土阻力對波形的影響，基樁周圍的土體，受樁土相互作用的影響，應力波在土體中向下傳播的過程中不斷衰減，其衰減程度與樁周土土體性質(zhì)有關(guān)，具體表現(xiàn)如下：①導致應力波迅速衰減，使有效測試深度減少。②影響缺陷反射幅值，造成利用幅值進行缺陷定量分析時誤差加大。③在軟硬土層交界面附近產(chǎn)生反射土阻力波，干擾樁身反射信號，容易產(chǎn)生類似縮頸或其他形式的波形振蕩等假缺陷反射波，與缺陷的反射混淆。④在沒有泥漿護壁或干作用的施工工藝時，在孤石較多的場地成樁的灌注樁，由于澆灌的混泥土極其容易與土體中的孤石結(jié)合成一體，類似于嵌巖樁的樁端入巖，這樣當應力波達到巖面時就產(chǎn)生一個于錘擊脈沖相反的反射信號，同時會影響到樁底真正的反射信號，存在孤石地質(zhì)時反射波法實測曲線如圖3 所示。

圖3 存在孤石地質(zhì)時反射波法實測曲線

以上為某工程基礎(chǔ)灌注樁，樁端設(shè)計持力層為微風化花崗巖。有效樁長21～28m，設(shè)計樁端持力層為微風化。進行反射波法檢測時樁面標高約為25m，測得樁身約10m 附近（高程約15m）存在反向反射波，查詢該項目地質(zhì)勘察超前鉆報告得知，該項目地質(zhì)普遍在高程16～21m 存在孤石（微風化花崗巖）。樁側(cè)孤石在反射波法檢測中呈現(xiàn)出反向反射信號的現(xiàn)象，本次檢測中普遍存在，并在后續(xù)鉆芯法驗證時，測得以上各樁樁身完整，持力層性狀均滿足設(shè)計要求。

3 反射波檢測應用方法

3.1 反射波波速檢測

計算反射波信號傳播速度時，樁基材料一維反射波縱波波速描述為c，測點下樁長描述為L，樁底反射波峰值減去入射波峰值產(chǎn)生時刻差，描述為Δt，幅值譜中完整樁相鄰峰值頻率差描述為Δf，則波速關(guān)系式如下[3]：

或者：

完整基樁檢測數(shù)量≥5 根，取其波速平均值，即為受檢樁身材料波速平均值。

3.2 分級評價樁基完整性

樁基完整性分為4 個等級，分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類，完整性分級越高，顯示完整性越差，即缺陷越嚴重[4]。

（1）Ⅰ類樁。Ⅰ類樁要求樁身結(jié)構(gòu)無殘缺或者異常，可見合理樁底反射。觀察實測波速，未超過合理范圍。樁底反射波抵達前未見同相反射波。

（2）Ⅱ類樁。Ⅱ類樁要求樁身結(jié)構(gòu)無顯著缺損，基本完整，通常為輕微缺陷。可見樁底反射表現(xiàn)基本合理，觀察實測波速，基本處于合理范圍，可見較低缺陷反射波幅值。

（3）Ⅲ類樁。Ⅲ類樁與Ⅱ類樁相比完整性相對較差，但未達到Ⅳ類缺陷程度通?？梢婏@著缺陷，需要配合使用鉆芯法檢測、聲波透射法檢測等方法，進行進一步檢測，根據(jù)檢測結(jié)果采取處理措施。在Ⅲ類樁檢測中，可見同相反射信號數(shù)個，產(chǎn)生復雜波列。樁底反射信號不合理。根據(jù)反射信號、樁長信息計算波速，可見波速與同類完整樁平均波速存在顯著差異，或者可見時域信號區(qū)域強異常同相反射信號。嵌巖端承型樁可見顯著樁底反射，然而反射波與入射波相位一致。

（4）Ⅳ類樁。Ⅳ類樁分級標準是樁身結(jié)構(gòu)可見嚴重缺陷，結(jié)果完整性嚴重不足，失去樁基功能，應清除問題樁基重新構(gòu)建完整樁基。該類樁基中無樁底反射，可見多次具有強幅值同相、等間距特點的反射信號，部分情況下信號幅值顯著增強，表現(xiàn)為大低頻形式。振源脈沖寬度極窄情況下，可見合并連續(xù)低強度同相反射，此時頻域為雙峰。此種樁基是典型淺部斷樁。

3.3 評估樁身缺陷位置

場區(qū)相同條件樁的平均波速描述為cm，樁身第n個缺陷距離描述為Ln，樁身第n 個缺陷初次反射波峰如入射波波峰時差描述為Δtn，同一缺陷相鄰峰間頻差描述為Δfn，則樁身缺陷位置計算方法如下：

或者：

3.4 綜合評估

檢測分析反射波波形，根據(jù)波形特點，基于樁混凝土設(shè)計強度要求，4 級劃分工程樁完整性，分析總結(jié)試驗結(jié)果，描述樁身結(jié)構(gòu)完整性，記錄波形曲線。此種檢測的局限性是地質(zhì)條件與樁土互相影響，當工程需要進一步評價樁承載力時，應實施高應變動力試樁試驗，或者采用靜載試樁試驗方法。此外，上述試驗過程中難以細化缺陷類型，檢出的樁基缺陷可能為裂縫、接縫、材料離析、縮徑、夾泥等問題[5]。軟土樁基常見缺陷如圖4 所示。

圖4 軟土樁基常見缺陷

4 結(jié)語

綜上所述，反射波檢測可快速無損評估軟土樁基完整性，檢出樁基樁體裂縫、接縫等不完整缺陷。對于超長樁必要時可采用高應變動力試樁等方法進行深度檢測，定位缺陷。同時由于地質(zhì)條件對基樁反射波法檢測結(jié)果具有較大的影響。因此，檢測人員要考慮地質(zhì)條件對反射波法的影響因素進行分析，并結(jié)合工程的實際情況進行準確的判斷，確保工程基樁的成樁質(zhì)量。