低应变反射波法在CFG桩浅部缺陷检测中的应用

摘要：结合某工程检测实例，介绍了低应变反射波法在CFG桩检测中的基本理论，并阐述了该技术的基本方法及其波形结果处理过程，通过运用此法，结果表明检测效果良好，同时验证了检测的正确性和可靠性。

关键词：CFG桩；反射波法；浅部缺陷定量化

中图分类号：TU473.1+6

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2008）08-0178-03

1引 言

桩基工程是地下隐蔽性工程，基桩在施工过程中常出现缩径、扩径、夹泥、离析和断桩的缺陷，从而直接影响到工程质量，因此对桩的完整性检验是非常重要的[1]。在桩身完整性检测中，反射波法理论依据充分、测试技术简单、波形判读直观，可以诊断桩身各种缺陷，并能确定其所在部位，同时对桩长进行核查，按桩身弹性波速，对混凝土质量做出适当评价，此技术已成为基桩完整性检测的主要手段之一。

CFG桩是英文Cement Fly-ash Grave的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水伴和，用各种成桩机械制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在C5-C25之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型[3]。CFG桩和桩间土是通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作机理。因CFG桩不使用配筋，在桩头平整至密实面或机械开挖过程中极易将桩碰断，由此引起的断裂面大都发生在距桩头0.4-1.5m的浅部。

2低应变动力测桩基本原理

低应变动测是目前国内外检查桩身质量最为快速的手段，特别是其中的反射波法。随着美国PDI公司生产的P・I・T桩身完整性检测仪从软件到硬件的长足发展和良好的应用效果，低应变动测已经得到工程技术界的普遍认可和采用。

低应变动力测桩基本原理，即首先将桩体简化并假设为一维弹性杆件模型，且定义波阻抗概念来描述桩身截面变化，然后根据弹性波的传播理论，通过桩顶的激励作用使桩身内部产生波动，由安装在桩顶的加速度型或速度型传感器接收不同波阻抗截面的反射波[2]，记录下自桩顶至桩身弹性波传播的幅值-时间曲线，最后由曲线相位和幅值变化情况即桩身波阻抗的变化情况，判断桩身缺陷性质，确定缺陷位置，计算桩长，并由实测波速定性评价桩身混凝土强度，具体计算过程如下：

式中： ――桩身波阻抗；――桩身混凝土密度；――桩身混凝土弹性模量；

――桩身横截面积； ――桩长；――缺陷位置；――桩底反射双程旅行时间；

――缺陷处反射双程旅行时间； ――桩身平均弹性波速；――两谐振峰之间的频率差。

已知完整桩桩长和桩底反射双程旅行时间 ，代入式(2)可得桩身平均弹性波速

，只要测得缺陷处反射双程旅行时间 或两谐振峰之间的频率差f，由式(3) 或式(4)可得缺陷位置。

低应变动测法在桩顶实施的激励手段一般为手锤或力棒，敲击桩顶时为点击引起质点振动形成波动传播，在桩头附近可近似认为半球面波，远离桩头后可近似为平面波[4]。由于检波器接收的是平面波，因此普遍认为在桩头附近就会存在测试“盲区”，如果“盲区”范围内存在缺陷，我们很难分辨出来。再就是实测中由于振源激振频率较低，往往将缺陷反射波覆盖，所以说桩身浅部缺陷的识别是低应变中难点问题[5,6]。

在现场检测基桩过程中用手锤或力棒激振，当曲线呈现低频宽幅大摆动振动波形时，这时能定性确定浅部有缺陷，定量确定浅部缺陷位置需要激振入射波频率足够高而提高分辫率，同时使缺陷反射波不被入射波覆盖。合理进行仪器参数设置，从时域考虑则要提高采样频率，满足采样定理，从频域的角度考虑还要增加采样点数或间隔，从而增加采样时间，提高频率分辨率[7]。当然还需要选用频响范围合适的加速度传感器，用偶合材料安装在桩头的适当位置。满足上述条件，定量测出桩浅部缺陷的位置是不难的。

3现场检测工程实例

3.1工程概况

某工程为CFG桩，由碎石掺水泥加水伴和而成，强度等级为C20，桩长7～10m，桩径400mm，呈1.3m×1.3 m或1.5m×1.5m分布，成桩前先将松散填土夯实，采用长螺旋成孔泵送混凝土成桩，桩端支承于第四系圆砾层。桩达到设计强度后，用小型挖机开挖土至承台底面，人工凿桩至设计标高。

3.2现场检测方法

实施检测之前，先凿去桩顶浮浆保证密实，后打磨平整。传感器安装在距桩中心2/3半径处，使用黄油与桩充分耦合，激振点位置选择在桩中心。

振源频率的选择采用尼龙锤和小铁锤(50g)，分别产生低频和高频应力波；加速度传感器的选择应考虑频率响应及灵敏度是否满足要求，桩浅部缺陷侧重考虑频率响应，一般应达7kHz，本次选用加速度传感器频率范围1-7kHz。

3.3仪器参数的设置

3.3.1采样滤波为全通采样，使所有频率信号均能通过。

3.3.2低应变检测时激振应力波频率一般低于10kHz，为满足采样定理要求，采样频率大于信号中最高频率的2倍。本次检测采样频率选为40kHz。

3.3.3时域信号记录的时间段长度应在 2L/c 时刻后延续不少于5ms，桩长为10m左右，由完整桩桩底反射波测得本工地桩身平均弹性波速为3400m/s；采样时间须满足：2L/c+5ms＞11ms；采样点数为1k，即1024点；采样频率为40kHz。经计算得到：采样时间为=采样点数/采样频率=1/40k=25ms，大于11ms，满足规范要求[8,9]。

3.3.4频域分析精度

频域分辨率为=1/采样间隔=1/25Hz，现须测到 以内的浅部缺陷，根据式(3)得：

结果表明：满足频域分析精度要求。

3.4现场试验及结果分析

现场检测时，首先用尼龙锤激振，当应力波曲线呈现低频宽幅大摆动振动特征时，说明桩有浅部缺陷。为确定缺陷具体部位改用50g的小铁锤轻轻敲击，采样参数不变，目的是产生较高频率应力波，实践证明50g的小铁锤可以激发出7000Hz以上的应力波，如图3和图6所示。

最初该工程CFG桩按20%频率抽样检测，结果发现大量浅部断裂桩，断裂位置在0.3-1.5m之间，大部分在1.0m之内，图10为246号桩开挖验证照片，可见0.5m处明显断桩，结果验证了实测与开挖检查结果一致，波形见图4、图5。之后对该工程全部CFG桩进行了低应变桩身质量检测。

经过本次低应变动测，浅部缺陷应力波曲线有如下特点：

3.4.1尼龙锤激振时，应力波曲线呈低频大幅度振荡频率低于350Hz。如图1、图4、图7所示。分析原因，是由于激振频率太低而未产生浅部缺陷反射波，只产生了浅部缺陷块体的振动，实测曲线为检波器与块体的共振曲线。

3.4.2小铁锤轻激振时，得到如下结论：①当缺陷深度在0.7m以上时，应力波时域曲线呈现多次反射波，能清楚地确定缺陷位置，如图8所示。②当缺陷深度在0.3-0.7m时，应力波时域曲线初看为正弦波阻尼振荡衰减曲线，会误认为是耦合不充分而由传感器自振引起，如图2、图5所示。经深入分析得到：第1个波为直达波；第2个波为直达波和缺陷反射波的叠加，所以第2个波峰比第1个波峰高；第3个波为缺陷的二次反射波。这时将曲线进行频谱分析，得到的，更准确的确定了缺陷的位置，如图3、图6所示。

3.4.3小铁锤重激振时，浅部缺陷反射波叠加在低频宽幅大摆动曲线之上，是由于桩顶受激振后既有浅部缺陷多次反射，又有浅部缺陷块体与检波器的共振，如图9所示。

3.4.4对于更浅部的缺陷（0.3m以内），一般来说曲线呈不规则的“ ”形，并带有更大低频曲线特征，且敲击中能够听到“空空”声，此时应用尼龙锤水平敲击桩侧，通常可以看到桩头的晃动。

4结论

4.1选定合适的振源、激振方式，合理进行仪器参数设置，采用低应变反射波法定量确定CFG桩浅部缺陷位置是可行的；

4.2当缺陷很浅时，时域曲线较难确定缺陷反射波时，可在频域曲线分析计算缺陷位置；

4.3 CFG桩因无配筋，在机械开挖土方时要特别注意不能碰着桩，要用环锯将桩锯至设计标高，以免碰断桩。

参考文献：

[1] 曹宇春，吴世明，高广远.桩基动力检测技术的现状及存在的问题［J］.上海地质，2002，(1)：43~45．

[2] 张明，潘一心.浅析反射波法检测桩完整性应注意的问题［J］.浙江水利水电专科学校学报，2002，( 3)：24~25．

[3] 万毅.反射波法低应变桩基检测影响因素及波形特征［J］.西部探矿工程，2002，(1)：46~48．

[4]MU VAIH．Remote sensing jmage analysis using a neural network and knowledge based processing［J］．Int J Remote Sensing，1997，18(4)：811~828．

[5] 何洁兵，陆伟刚，魏海，顾爱军.超声波投射法检测大直径超长桩［J］.扬州大学学报(自然科学版)，2004，(3)：67~71.

[6] 朱长福.反射波法检测混凝土基桩质量的实例分析［J］.工程质量，2007(11)：49~52.

[7] JGJ94－94，建筑桩基技术规范[S].

[8] 桩基工程手册.编写委员会.桩基工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1995.

[9] 中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范(JGJ106－2003).北京：中国建筑工业出版社，2003．

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”