低应变反射波法检测成桩质量浅析 [复制链接]

低应变反射波法检测灌注桩成桩质量分析·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
刘立桥 ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
1前言·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
桩基础是软土地基及水利工程中被广泛使用的基础形式。桩基础通常都在水下或地下完成，属隐蔽工程，由于成桩过程繁复，技术要求高，质量控制难点度大，且地下情况无法直接观测，出现质量缺陷难以避免。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
桩身质量缺陷严重会对工程本身安全产生影响，因此桩基完成后应对成桩质量进行检测，并由此给桩基进行定性的分析，以确保工程质量，目前常用的桩基成桩质量检测法是理论研究及实践经验较完善的低应变反射波法，其优点是能无损的检测成桩质量且能便捷快速诊断桩身的完整性。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
鉴于监理工作人员是质量控制环节主要参与方，除对桩基施工过程质量控制及通过检测报告了解桩基质量外，也有必要主动掌握该法的的检测原理，并适当掌握如何通过波形曲线进行成桩质量判读。从而在此基础上了解影响成桩质量的因素，并在成桩过程和检测过程中更好的发挥监理的职责完成监理任务。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
2低应变反射波法的基本原理·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
低应变反射波源于应力波理论，反射波法是以应力波在桩身中的传播特征为理论基础，当应力波在假定的一维均质杆件（桩）中传播时，其纵向的振动微分方程为：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
                                                       （1）·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
    当在存在波阻抗的的界面时，波将产生反射和透射。根据界面连续条件和牛顿第三定律 ，界面上两侧的质点速度V和应力σ均应相等并满足如下方程：                                             ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
                                                            （2）·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
                                                       ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
由波阵面动量守恒条件：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
                                                            （3）·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
联立（2）（3）得·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
                                                             （4）·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
其中反射波系数Rr、及透射波系数Rt为·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
Rr=z1-z2/z1+z2=1-n/n+1；Rt=2z2/z1+z2=2/n+1       ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
z=Aρc；n=z1/z2=A1ρ1c1/A2ρ2c2；·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
式中各字母涵义：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
A：横截面积             u：某截面的纵向振动位移·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
      V：桩的弹性波质点       C：桩的纵波波速·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
      Z：波阻抗               n：波阻抗比·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
ρ：混凝土密度          σ：波质点应力·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面或桩身截面发生变化时，其传播过程中波形会发生改变。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
当z1  z2时，n=1，Rr=0，说明界面阻抗大致相同或截面无变化，此时应力波为全透射，无反射信号，一般看不到桩底反射。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
当z1>z2时，则n>1，Rr<0，反射波与入射波同相，此时测点的实测力波形减小,速度波形增大，说明截面是由高阻抗硬材料进入到低阻抗软材料或是大截面进入小截面，如磨擦桩的底及断裂、 离析、缩径等缺陷。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
当z1<z2时，则n<1，Rr>0 ，反射波与入射波反相，此时测点的实测力波形增大,速度波形减小。说明截面是由低阻抗软材料进入到高阻抗硬材料或是小截面进入大截面，如扩径桩或嵌入高阻抗的嵌岩桩，。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
桩身缺陷位置应按下列公式估算：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
       或       ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
式中   x ——桩身缺陷至传感器安装点的距离（m）； ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
Δtx——速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms）；·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
       c——受检桩的桩身波速（m/s），无法确定时用cm值替代；·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
     Δf ′ ——幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差（Hz）。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
3桩基缺陷类型及质量类別评价：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
Ⅰ类桩：波形规则，波列清晰，呈指数有阻尼衰减，持续振动时间短，桩底反射明显，无桩间反射信号，频谱曲线只有一个单峰，左右对称。易于读取反射波到达时间，桩身混凝土平均波速Vp在3000m/s以上，完整性良好，砼强度达到设计要求；·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
Ⅱ类桩：波形有小畸变，上下幅值基本对称，但可见到局部子波的叠加，近于阻尼振动衰减，振动频率较高，桩底反射清晰，频谱曲线呈多峰但主峰值都较高，其他峰值都较主峰低得多。桩身砼波速正常，桩身基本完整，有小缺陷，如扩径、轻微的缩径，局部离析，但对桩的受力无影响，砼达到设计强度；·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
Ⅲ类桩：波形不规则，上下幅值不对称，明显子波叠加并出现较明显的桩间反射，相位、振幅变化无规律，频谱曲线呈双峰。桩身有缺陷，如夹泥、缩径、离析和局部断裂等现象,桩身砼不低于设计强度的80%，桩身砼波速明显偏低，对单桩承载力有一定影响，一般应采取补救措施；·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
Ⅳ类桩：波形严重畸变，上下幅值不对称，相位和振幅无规律变化，无桩底反射信号，桩间反射信号波幅较强呈多次反射或反射波幅减小频率降低，频谱呈多峰形，几个峰值同时存在。桩身砼平均波速很低，桩身有重大缺陷，如断裂，严重的离析，此类桩必须进行处理。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
4检测波形分析·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
完整桩：波形时域曲线呈规律递减，波形规则，桩底反射信号明显，但要注意地层对波形的影响。下图桩φ800 mm, h=10m，未有干扰波的完整波形图，该桩桩底反射明显。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
下图桩径1m,桩长14m钻孔灌注桩,地质条件:在地表下为软塑淤质粘土,在5-6m存在砂砾石层,下部为软 塑淤质粘土,测试结果所有曲线均在6m左右有明显反向子波,施工的充盈系数正常, 不存在扩径,故此反相属地层反应.·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
离析桩：桩间出现离析或胶结不良的缺陷,从理论上分析与缩颈的类似,即在离析的第一·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
界面反射波的相位与初始入射波相位相同,而在离析的底界面的反射波与初始波相位相反,但由于离析的程度差异及材料密度的不同,往往会引起应力波在这缺陷层面和层间的复杂反射、折射、透射和散射，表现在层间的能量的强吸收，因此在反射波形上表现为波幅值降低，波形较乱，甚至于找不出明显的同向和反向的子波， ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
下图桩φ800 mm, h=29m，钻孔灌注桩经测试发现在9m左右有同相反射, 並伴有多次反射,经钻孔取芯在 8.8-9.6m严重离析,无法取到完整芯样,经三个孔取芯均存在离析现象,后采用高压浆,再次测试波形完整无桩间缺陷反射,並可见到桩底反射,说明注浆成功.·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
缩径（夹泥）桩：当桩身出现缩径时，缩径的上界面，表现为反射波相位与初始入射波同向，但在缩径的下界面，后续反射波的相位与初始入射波相反。此类由于缩径引起的反射波由于界面波阻抗差异大，故反射波形清晰、完整而直观，如严重缩径者可见到多次反射波。下图桩φ800 mm, h=10m，钻孔灌注桩测试后发现在6m处有缺陷表现为缩径,·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
下图桩径1500mm，桩长44.5m钻孔桩。桩设计混凝土强度C25,测试时发生在2m处同向子波反射幅值高于初至波，并有后继的多次反射，解释人员误认为传感器黏结引起的正常振荡而判为Ⅰ类，经证实在2.2m左右桩身严重缺陷（夹泥），应属于Ⅲ类，后凿去桩头缺陷上部段，重新接桩。 ·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
扩径桩：扩径桩所引起界面反射波的特征与缩径相反, 当扩径的上界面波入射后，第一反射波与初始入射波相反号;当应力波进入扩径的第二界面即底界面时，反射波的后续波与初始入射波表现为同方向，但由于扩径的形态各有不同,其反射波的表现也将有差异，在严重扩径时,也会见到多次反射，而往往下界面的同向反射波表现得更清晰一些。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
  该桩Φ1500 h=42m钻孔灌注桩桩测试后发现在2.5m左右扩径,二次反射在5m左右,将曲线取18m分析更明显,经开挖验记在2m处扩至1900 到3.5m处回缩到1500·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
断裂桩：一般看不到桩底反射。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
①深部断裂：有高幅值的桩间反射，反射波相位与初始入射波相同，往往可见到2次或3次，但按平均波速算桩长却远比设计桩长要短，或按设计桩长算波速远大于一般桩的波速；·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
②桩中部断裂：表现在反射波曲线的多次等周期衰减，反射曲线、反射子波的第一子波相位由于是高阻抗材料传向低阻抗材料，故其相位与桩的初始入射波同相位，而后续波由于从低阻抗的软材料进入高阻抗的硬材料，故其相位表现为与初始入射波相反。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
③桩浅部断裂：往往是由于机械开挖或开挖旁侧堆土所致,它的反射波曲线表现形式与桩中间断相似，但峰峰很密，f更小，有时往往叠加在一个低频背景上的脉冲子波，这是由于受桩身下部的振动或工地50Hz低频影响之故，此类波形的衰减也很慢，·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
下图为桩径1m,设计桩长28m桩钻孔灌注桩,测试后在21m处如桩底般的反射信号,经取芯桩长仅21.7m,如按22m桩长算得波速为4700m/s,说明桩明显偏短.该桩属深部断裂。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
5基桩质量检测注意事项：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
应该指出的是，桩身完整性的影响因素是众多的，桩身缺陷形成也有多种多样，其同一种缺陷类型由于其程度的不同使得所测得的曲线反映也有差异。在要对所测得的曲线认真进行分析时，其各环节均十分重要。需综合考虑解释结果和缺陷的性质及程度，尽量使判别减少失误和提高精度。监理要协同检测人员尽量做到以下几方面工作：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
1、重视工程桩现场检测的每个环节：检测前根据要求对桩头进行处理，除去桩头部位影响应力波传播的浮浆；注重检测人员对传感器的安置及激发点的位置是否符合规范要求，以保证原始采集信号的质量；此外还应了解激发材质及能量，激发脉冲宽度，以及仪器参数的科学设置等对检测结果的判读的影响。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
2、为了保证对所测得的曲线分析的正确性，还应为检测人员提供详细的工区地质条件、地层分布和走向，特别是桩长度范围各地层的土工参数和力学特征指标，这样有利于检测人员剔除因地层、地质环境引起的干扰，特别是软硬地层界面对应力波传波的影响所引起的子波叠加，以避免不必要的误判。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
3、重视了解施工情况, 提供本工程桩的施工资料，方便检测人员查阅，包报施工机械、打桩程序、桩机型号；提供详细的原材料情况，如混凝土的配合比和钢材的规格，钢筋笼的长度，水泥、骨料规格、试块的抗压强度及施工中的混凝土塌落度、充盈系数、灌注时间、拔管速度、检测时砼龄期等内容；提供打桩记录，特别是工地内打桩过程中曾出现的故障及处理过程的详细原始记录；收集工地在施工过程中进行井径和沉渣测试的资料，以便分析桩的扩径和缩颈与地层和施工的关系。·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
参考文献：·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
1、赵竹占．工程基桩低应变反射波法讲座·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
2、罗骐先．桩基工程检测手册（第二版）［Ｍ］．北京：人民交通出版社·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
3、建筑基桩检测技术规范. JGJ 106—2003·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá
4、无锡市山北南圩堤防加高加固工程基桩质量检测报告(CS08522)  2008.8.27·HØbMl‘bbs.3c3t.comŽNhm†¤Üjá