浅谈低应变反射波法检测基桩完整性

近年来，随着波动理论的的深入研究和电子技术，计算机技术的迅速提高以及微型便携机的大量普及，反射波法诊断桩身完整性技术取得了很大的发展和日益广泛的应用。该方法能够有效的判断桩身的局部缺陷。是一种经济、轻便、高效的桩基完整性检测手段。

低应变反射波法源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，使桩中产生应力波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断裂或离析、夹泥等部位）或桩身截面积变化（如缩颈或扩径）部位，将产生反射波，利用特定的仪器设备经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算，来判断桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。

反射波法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置，它属于快速普查桩身质量的一种方法，由于其具有检测速度快、费用低和检测覆盖面广的优点，它已成为基桩完整性检测中应用最为广泛的方法。

反射波法在实际应用中存在许多问题应引起注意和重视，否则将对基桩完整性检测的效果产生较大的影响。笔者根据多年来现场及室内工作经验，现将日常低应变检测中常见的几个注意事项总结如下：

一、桩头处理

在低应变反射波法现场信号采集工作中，桩头处理的好坏关系到测试是否能够成功的重要因素，也是测试前需要准备的关键性步骤。在实际工程中，往往由于破桩头不到位，桩顶面存在浮浆或低强度混凝土，此外，在破桩头时很容易使桩顶混凝土出现裂纹或疏松、破碎，有时桩头被水或淤泥等覆盖，所以在检测时必须对桩顶面进行处理，但在大多情况下，很多测试工作人员忽略了这一点，结果无论怎么改变传感器及其安装位置或激振方式，始终得不到理想的信号曲线。因此，桩头应为达到设计标高的有效桩头，必须凿去表面浮浆，处理到有新鲜含骨料的混凝土为止，且桩头不能破碎，含水，不能有杂物，要尽量保证桩头干净，平整。这可以通过随身携带凿子以凿平安装点和锤击点或委托施工方在测试前用电砂轮打磨4至5个小平面，这样有利于传感器的安装和力棒的锤击。

桩头出露的钢筋笼不能影响敲击，并且高度应适中，否则当小锤敲击桩头时产生的激荡应力波易于在钢筋上产生振荡反射叠加于入射波中，从而影响浅部缺陷波形的识别。

二、传感器选择与安装

测振传感器是反射波动测中最基本的重要测试元件之一，它直接与被测桩相连接，将机械振动参量换成电信号，它的性能参数的好坏，直接影响到转换电信号的数据是否真实地反映桩本身的反射信息。现在大家都倾向于选择内装式加速度传感器（ICP），因为这种传感器无电荷放大器约束，频响更宽，由于已变成电压量和低阻输出，对联线要求低，更适合于野外需要。

传感器的安装对现场信号采集工作影响较大，理论上传感器越轻，越贴近桩面，与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，采集到的信号也越接近桩面的质点振动。

对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4半径处；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成90°夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。如图1所示。

图1传感器安装点与激振点位置布置示意图

此外，传感器的安装应与桩顶面垂直；用耦合剂粘结时，应具有足够的粘结强度。常用的耦合剂有黄油（稠度高），凡士林，橡皮泥（弹性差油性少粘性强），石膏，牙膏，口香糖等。传感器用耦合剂粘好后，用手指轻弹传感器侧面，若传感器纹丝不动，则说明传感器已安装好，可以进行测试。

有的测试人员为了测试简便，经常不用藕合剂或少用藕合剂，致使藕合剂的作用减少或消失，导致测试信号振荡很明显，不利于对基桩的分析判断，这样是不可取的。

三、激振设备与激振点的选择

激振的目的是在桩头产生一个扰动，从而生成一个沿桩身传播的弹性应力波，而不同频率的应力波沿桩身传播时，具有不同的衰减特性。定性来说，高频分量对细小界面、骨料等反应灵敏，但衰减较快；低频分量在小界面处易产生绕射，但衰减较慢，传播深度相对较大。因此，实际应用中常通过现场敲击试验，如改变手锤重量或激发棒的形状、材料硬度以及在桩头加不同材料的桩垫来达到产生不同频率成分的应力波的目的，以适应对桩浅部和深部缺陷的判断的需要。此外，由于桩顶锤击点产生的应力波实际上为球面波，当沿桩身传播到大于桩径的1.5倍后，方可认为波阵面曲率较小，近似为平面波；并且，激振后还引起沿桩顶水平方向传播的横波、表面波以及由于桩顶材料局部塑性变形、破碎，造成干扰性杂波成分，而这些成分往往幅度较强。以上干扰因素，可通过带通滤波、改善传感器耦合、降低传感器横向灵敏度、选择适当阻尼系数的传感器，以及桩顶处理、调整激发方式来改善。

反射波测桩时，不能一成不变地使用一种锤头，应准备几种锤头、垫层，依据不同检测目的而选用。对于长大桩测试一般应选择能量大、脉冲宽、频率低的激振方式，如力棒、尼龙锤等，适用于桩底及深部缺陷的检测，但由此很容易带来浅部缺陷和微小缺陷的漏判，可以结合能量小、脉冲窄、频率高的激振方式来判定桩身浅部的缺陷和位置。在某些复杂情况下，可以用高频与低频相结合的方式获取基桩桩身的完整信号，即用低频脉冲波获取桩底反射，再用高频脉冲波检测桩身上部缺陷。

另外，敲击质量的高低将直接影响到测试结果的优劣，要由经验丰富的熟练工人来操作。敲击时锤要落到实处，干脆利索，锤击方向与桩顶平面垂直，避免二次冲击，达到产生瞬间激发点源，入射脉冲狭窄且符合半正弦规律。

四、信号采集

现场信号采集首先要进行仪器参数设置，主要包括采样间隔、采样点数、增益、模拟滤波、触发方式等。

根据桩径大小，围绕桩心沿桩身对称布置2-4个检测点，每个检测点记录的有效信号数不宜少于3个，以便通过叠加平均提高信噪比。

应力波反射法所采集的较好波形应该是：

1)多次锤击的波形重复性好

2)波形真实反映桩的实际情况，完好桩桩底反射明显

3)波形光滑，不应含毛刺或振荡波形

4)波形最终回归基线

不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时，应分析原因或产生零漂或信号幅值超过测量系统的量程时，应在检测现场及时研究，排除影响测试的不良因素后重新测试。

五、对混凝土强度的评价

低应变反射波法测出的波速为整根桩的平均波速，其准确性依赖准确的桩长和桩底反射时间，在知道桩的准确长度的前提下，反射波时域曲线能准确确定桩底情况，就可以计算桩的平均波速，从而由平均波速来判断混凝土质量。我们可以根据同一工程所有测试桩波速的平均值来估计混凝土的强度等级。

总的来讲，混凝土的质量、强度与波速的关系是存在的，混凝土强度高，质量好，其波速也高，反之波速低。但这只是一种定性关系，因为影响波速的因素很多，如混凝土的性质、骨料种类、粒径大小、养护条件、龄期、钢筋含量及位置等都有关。如果事先对混凝土试件的波速与抗压强度进行过对比试验，可以根据实测波速推算混凝土强度，否则要慎重。

六、低应变反射波法的局限性与改进分析方法

在众多桩基检测方法中，低应变反射法同其它方法一样，也存在着不完善的方面，受自身的局限性，在许多情况下，影响了反射波的最终结果，主要体现在以下几个方面：

1）仅测出广义波阻抗的相对变化，可以区分缩径类与扩径类，也可以计算缺陷位置，但却不能确定缺陷性质、方位。如缩颈与离析、严重离析与断桩，夹层与裂缝尚不能很好地区分。进一步确定缺陷的性质需要丰富的检测经验及其它补充资料。

2）缺陷程度的定量分析很难达到理想效果，目前只能将缺陷程度定性给出。由于波速计算或选取不准，据此计算的缺陷位置的误差在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。

3）平均波速与砼强度之间的关系无法准确给出。

4）若桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易误判。如第一缺陷在浅部时，尚可通过开挖并凿去上部缺陷再行检测，否则只能通过其它方法进一步检测。

为了准确分析桩身缺陷，测试与处理完成后，应从以下几个方面进行改进：

1）结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。如：预制桩、人工挖孔桩不可能缩径；许多的缺陷或质量事故都发生在流水处或地层变化处；地层变化对波形也会产生影响（会产生反射波）等等。因此查看地质资料、了解施工记录对确定缺陷位置有很好的帮助。

2）综合分析同一工程的所有被测桩。同一工程的地质和施工状况大致相同，通过寻找被测桩之间的共性，再来分析每一根桩的情况，往往能有效的提高分析效果。有时仅仅分析一根桩，而不对整个工程的情况进行了解，很容易产生判断错误。

结束语

低应变反射波法检测以其经济、便捷等优点应用十分普遍，但也有某些缺点与不足，建议检测出有严重问题的桩后要结合施工、地层情况及其它检测方法如：钻芯、载荷试验测试、高应变测试等综合判定，避免造成误判，从而保证桩基工程质量。从管理的角度来说，通过制定更确实可行的标准；加强对检测单位的管理；增加行业内的交流等等，可以有效地促进反射波法测桩水平的提高。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。