低应变反射波法在嵌岩桩桩身质量检测中的应用

摘要：低应变反射波法在我国被广泛应用于基桩检测领域，根据其基本原理，本文简要分析介绍了低应变发射波法应用于嵌岩桩桩身质量检测中的理论依据和典型波形，供桩基检测工作者参考。

关键词：低应变反射波法；嵌岩桩；基本原理；典型波形

中图分类号：O734+.2文献标识码： A 文章编号：

Abstract：Low-strain reflected wave method is widely used in Field testing of piles in my country, According to its principle, In this paper, Rationale and Typical waveform of Low-strain reflected wave method used in The quality of Rock-socketed pile body have been analysed,that are reference material for the pile testing workers

Key words：Low-strain reflected wave method；Rock-socketed pile；Rationale；Typical waveform

1引言 [收稿日期：

基金项目：贵州省教学内容和课程体系改革重点项目（土木工程应用型人才实践教学体系研究,黔教高2011[281]号）

作者简介：戴自然，男，1985年12月，助教，硕士，岩土工程。]

随着我国基本建设事业的迅速发展，桩基础由于具有承载能力大、抗震性强、沉降量小、施工方便、造价较低等特点而被广泛应用。桩基础按照承载性状可分为摩擦型桩和端承型桩，此外，当桩端嵌入岩层一定深度（最小深度不小于0.5m）时，称为嵌岩桩[1]。贵州地区属于高原山区，基岩上部的覆盖层较薄，为充分利用基岩的承载能力，桩基础在应用上以嵌岩桩为主。近期，随着西部大开发战略的全面铺开以及2013年国务院的国发2号文件，贵州迎来了前所未有的发展良机，各项土木工程的基本建设方兴未艾，此时，工程建设的质量显得异常重要，桩基础属于地下隐蔽工程，施工工艺复杂，容易出现各种质量问题，且不容易被发现。此时，桩基检测技术变得十分重要。目前，贵州地区在桩基质量检测中，低应变发射波法被广泛应用。低应变发射波检测法能有效检测桩基常出现的缩颈、断裂、夹泥、离析、沉渣等，并能准确判定桩长。嵌岩桩由于桩底嵌岩，其利用低应变发射波法检测所得波形有别于其他桩型。因此，准确得出低应变反射波法在嵌岩桩桩身质量检测中的基本原理及典型波形对桩基检测行业将有十分重要的意义，同时更能促进桩基工程在贵州地区快速、安全的发展。

2低应变发射波法检测桩基质量的基本原理

反射波法是以弹性应力波理论为基础发展起来的。首先它假设桩基是各向同性的匀质体，即混凝土质量在桩内应是很均匀的；其次假设桩体是一个半径远小于桩长的一维杆件。将原本较复杂的问题归纳到一维弹性波领域，便于用波动理论研究和解决问题。[2]低应变发射波法检测桩基质量示意图如图1所示。

图1 低应变发射波法检测桩基质量示意图

如上图，将桩假定为一维细长弹性杆，当桩顶面受到纵向力锤击时，根据牛顿第二定律及虎克定律可得到桩的纵向波动方程如下：

（2-1）

（2-2）

式中：C—纵波波速，E—杨氏模量，ρ—密度

当应力波沿桩身传播遇到不同阻抗界面时，会产生反射与透射，如图2所示（，称为广义波阻抗）：

图2 应力波的反射与透射

根据应力波理论和牛顿第三定律可得

（2-3）

（2-4）

式中，U，σ分别表示应力波的速度和应力，下标I，R，T分别表示入射波、反射波和透射波。

由波阵面动量守恒条件，由式（2-4）得

（2-5）

联立式（2-3）、（2-5），求解可得

(2-6a)

(2-6b)

其中：

称为反射系数 (2-7a)

称为透射系数(2-7b)

根据以上原理，可以得出桩身完整性的判别标准和判断缺陷位置如下[3]：

①当Z上＝Z下时，表示桩截面均匀，无缺陷。

②当Z上＞Z下时，表示在相应位置存在截面缩小或混凝土质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。

③当Z上＜Z下时，表示在相应位置存在扩径，反射波速度信号与入射比速度信号相位相反。

④当桩身存在缺陷时，根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值Δt（ms）和桩身传播速度C（m/s）来推算缺陷位置Lx（m），如式2-8所示：

（2-8）

3嵌岩桩的工作原理

桩端嵌入岩层一定深度（最小深度不小于0.5m）时，称为嵌岩桩。当嵌岩桩工作时，其承载能力主要由三部分组成：桩周土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力、总端阻力。该三部分是如何组成和构成并发挥作用的跟桩的长径比、嵌岩深径比、桩周岩土层性质息息相关。

近十年来大量试验研究成果和工程应用经验均表明，一般情况下，只要嵌岩桩不是很短，上覆土层的侧阻力就能部分发挥；此外，嵌岩深度内也有侧阻力作用，故传递到桩端的应力随嵌岩深度增大而递减，当嵌岩深度达5d时，该应力接近于零。所以桩端嵌岩深度一般不必很大，超过某一界限则无助于提高桩的竖向承载力[4]。

4嵌岩桩典型波形

桩底嵌岩时，可能有两种情况：①桩身广义波阻抗Z1小于桩底岩层波阻抗Z2；②桩身广义波阻抗Z1与桩底岩层波阻抗Z2接近相等。嵌岩桩的x-t曲线如图3所示。

图3 嵌岩桩的x-t曲线

针对第①中情况，有，，，VR与VI反号。此时桩底反射与初始信号反向，因此可绘制该种情况下的典型波形曲线如图4所示。

图4嵌岩桩的典型波形曲线（Z1＜Z2）

针对第②中情况，有，，F=0，VR为零，此时桩底不产生反射信号，因此可绘制该种情况下的典型波形曲线如图5所示。

图4嵌岩桩的典型波形曲线（Z1≈Z2）

5结语

贵州地区的桩基绝大多数为嵌岩桩，我们利用中国科学院武汉岩土力学研究所的RSM—PRT低应变仪在贵州地区对嵌岩桩的检测进行了多个工程的应用，产生了极好的效果，本文在实践应用的基础上，通过理论分析，得出了嵌岩桩的典型波形曲线，供检测工作者参考应用。诚然，这里得出的嵌岩桩典型波形曲线是理想情况下的曲线，实际情况还有很多其他影响因素，此处未能深究。对于其他影响因素下的典型波形曲线，期待后续工作者继续研究探讨。

参 考 文 献

[1] 夏力农，王立平，戴自然等.基础工程[M].北京：中国建材工业出版社，2012.

[2] 黄龙生等.桩动力检验的理论与实用方法[M].北京：地震出版社，2004.

[3] 张传海.低应变法在基桩完整性检测中的几个问题[J].西部探矿工程.2013-1:31~33.

[4] 王秀丽等 基础工程[M] 重庆：重庆大学出版社，2001.

The Application of Low-strain reflected wave method in quality testing of pile body

Ziran Dai

（Guizhou Normal University，Guiyang，550014）

Abstract：Low-strain reflected wave method is widely used in Field testing of piles in my country, According to its principle, In this paper, Rationale and Typical waveform of Low-strain reflected wave method used in The quality of Rock-socketed pile body have been analysed,that are reference material for the pile testing workers

Key words：Low-strain reflected wave method；Rock-socketed pile；Rationale；Typical waveform