浅谈基桩反射波法

浅谈基桩反射波法

曾滔涛

摘要：基桩作为地下隐蔽工程，其施工质量受诸多因素影响，质量不确定性强。反射波法是检测成桩质量的可靠方法之一，通过阐述反射波法的检测原理和检测方法以及注意事项，分析总结各种因素影响下的波形曲线特征，提高反射波法检测水平。

关键字：反射波法 反射波 阻抗 土阻力

1、基本原理

基桩反射波法检测桩身结构完整性的基本原理是：通过在桩顶施加激振信号产生应力波，该应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面（如蜂窝、离析、孔洞、夹泥、断桩、裂缝、接缝等缺陷）和桩底面时，将产生反射波，检测分析反射波的传播时间、幅值和波形特征，就能判断桩的完整性。

假设桩为一维线弹性杆，其长度为L，横截面积为A，弹性模量为E，质量密度为ρ，弹性波速为C（C 2 =E/ρ），广义波阻抗为Z=AρC；推导可得桩的一维波动方程：

（1）

假设没有土阻力的情况下，桩中某处阻抗发生变化，当应力波从介质Ⅰ（阻抗为Z1）进入介质Ⅱ（阻抗为Z2）时，将产生速度反射波Vr和速度透射波Vt。

令桩身质量完好系数β＝ Z2/Z1,则有

（2） （3）

根据公式（2）我们很容易计算出：如果若β>1,即Z2>Z1，这是反射波的速度Vr与入射波速度Vi异号，如果若β<1,即Z2<Z1，这是反射波的速度Vr与入射波速度Vi同号。如果剔除外界各类因素的影响，在反射波波形曲线上根据反射波的方向很容易判断出桩身质量的完整性。

缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定，缺陷位置根据反射波的时间tx由下式确定

（4）

2、测试方法

2.1桩头处理

在现场信号采集工作中,能否采集到好的信号，桩头的处理是一个很关键的因数。有些测试人员忽略了对桩头的处理，直接就在素混凝土上测试，往往在测试信号的浅层部位存在较明显的同向反射，结果无论怎么改变传感器以及传感器的安装、无论怎么改变震源，测试信号都不理想。

桩头处理：一般情况下，凿去桩顶浮浆、松散或破损部分露出坚硬的混凝土表面，桩顶面要平整、干净、无积水，对于预应力管桩，当端板与混凝土之间结合不紧密时应进行切割。

2.2传感器安装

传感器的安装好坏对现场信号的采集有很大影响，传感器与桩头结合的越紧密，与桩面之间接触的刚度越大，传递特性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。

传感器安装：采用黄油、橡皮泥、石膏等材料为耦合剂与桩面粘接且传感器安装点及其附近不得有缺损或裂隙。安装完毕后传感器必须与桩顶面保持垂直，且紧贴桩顶面，在信号采集过程中不得产生滑移或松动。对于实心桩，传感器的安装点与锤击点的距离不宜小于桩径或矩形桩边宽的1/4；当锤击点为桩顶中心时，传感器的安装点与桩中心的距离宜为桩半径的2/3。对于空心桩锤击点和传感器的安装点宜为桩壁厚的1/2处，传感器的安装点、锤击点与桩顶面圆心构成的平面夹角宜为90o。

2.3锤型的选择

当检测长桩的桩底反射或深部缺陷时应采用力棒或大铁球击振，其击振能量大、脉冲宽、频率低、衰减小，适宜于桩深部缺陷的检测，但比较容易造成浅部缺陷和微小缺陷的误判和漏判。当检测短桩或桩的浅部缺陷以及预制桩的浅部水平裂缝时，应采用能激发较窄的冲击入射脉冲的手锤。

3、土阻力（土的动阻力和静阻力）对反射波的影响

假设桩中某点X处有土阻力Rx，当t=X应力波经过该点（截面）时，由于桩土之间产生相对位移，就会产生土阻力波，根据位移连续性和力的平衡条件，该阻力波包括向上传播的压缩波和向下传播的拉升波（假设入射波为速度向下的压力波），力幅值均为R，质点速度都向上（为负），幅值为RZ。当t=2X时，向上传播的阻力波达到桩顶，就会使实测的速度波形减小，计算研究表明：静土阻力导致实测速度信号向下漂移，动土阻力主要影响实测速度波的衰减。

4、软硬夹层对反射波的影响

其中公式（2），公式（3）是在理想状态下即 =0的模型桩中推出的反射波公式，在实际的工程检测中 是不可能为零的，反射波法公式可以通过下式修正：

（5）

其中 为土阻力作用因子，它的值介于0～1之间，通过公式（5）可以看出反射波有两部分组成，其中一部分为桩身介质变化而产生的反射波另一部分为土阻力变化产生的反射波。前者我们都比较熟悉，这里我们探讨一下后者。

当桩周土摩阻力较均匀时， 值比较小，土阻力变化产生的反射波异常可以忽然不计；当桩周土摩阻力发生突变，用小锤锤击桩头，产生一个向下的压力波下行，传感器可感应到一个向下的正向脉冲（入射波），向下的压力波遇到土阻力变大时产生一个向上的压力波上行，向上的压力波行至桩头传感器感应到一个与入射波反方向的发射波，反之遇到土阻力变小时传感器将感应到一个与入射波同方向的发射波，这种情况下很容易导致误判，所以波形分析时必须考虑它的存在。

值得一提的是，一般情况下土阻力的变化与桩身阻抗的变化产生的反射波不同，桩身缺陷引起的阻抗变化以突变为主，反射波曲线变化明显；土阻力变化一般以渐变为主，使反射波曲线变化不明显。

5、实测曲线

5.1淤泥区预制管桩实测曲线及开挖验证

淤泥层的动阻力并不是很明显反射波在淤泥层中的衰减不是很强烈。某工程地层分布自上而下分别为：第一层，杂填土；第二层，淤泥；第三层，粉质粘土；第四层，粘土；第五层，强风化花岗岩；其中淤泥层分布于地表以下1.5m，厚5m。为了了解淤泥层对反射波曲线的影响，在基坑开挖前对一条7+13m的预制管桩进行一次测试，测试曲线如图1所示，在接桩位有很明显的同向反射。基坑开挖后我们发现该桩接桩位的缺陷并不明显。

图 1 图 2

5.2夹层区测试曲线的特征

软弱夹层在测试曲线中会产生具有缺陷性质的同向反射。某工程地层分布自上而下分别为：第一层，杂填土；第二层，粉质粘土；第三层，淤泥；第四层，粉土；第五层，强风化泥岩；其中淤泥层位于地表以下6.5m处，厚2m。测试曲线如图2所示，在7m左右的位置有一个同向反射。

5.3桩底为花岗岩孤石时的曲线特征

某大厦位于花岗岩地区（该地区花岗岩孤石比较发育），设计桩型为冲孔桩，基桩施工方未在施工前进行超前钻，直接进行冲孔施工。图3为该工程中某桩的反射波测试曲线，在桩底有一个明显的反向反射，但反向反射后跟有一个明显的同向反射，判定该桩桩身完整性类别为Ⅱ类，但我们就该桩底提出异议，后抽芯验证发现该桩桩底以下2m为一未风化花岗岩孤石，2m过后仍是强风化岩层，综合两种方法判定此桩为Ⅳ类桩。

图 3

6 总结

每个工程都有各自不同的地质条件和不同的施工工艺，在现场的的测试和后续的分析处理过程当中要充分的考虑各种因素的影响，认真分析总结。对于存在疑问的桩，应根据桩、仪器设备、现场环境等实际情况合理选用其它方法验证，使测试结果准确、可信。

参考文献

[1]建筑基桩检测技术规范中国建筑JGJ106-2003 中国建筑工业出版社，2003年

[2]工程桩质量检测技术培训教材 中国建筑工业出版社,2009年9月

[3]韩亮，PIT基桩低应变动力试验分析技术，第16界全国结构力学会议论文集，2007年7月