摘要：影响桩基质量的因素包括地质条件、施工工艺、人为因素等，首先我们需要了解这些因素会对桩身完整性产生什么样的缺陷类型，然后对桩身质量完整性进行了分类，最后提出了桩基低应变反射波法中检测桩身缺陷所存在的问题，并提出了解决办法。
关键词：桩基质量；因素；质量检测；影响
1影响桩基质量的因素
1.1地质条件的影响
地质条件作为桩基施工之前的前期资料，一般都是工程地质勘察单位进行工作，然后提供一个比较完整的场地勘察报告，地质条件包括土层性质、地层岩性、地下水、岩溶空洞、下卧层等。土层土质不同，比如均质土、硬土夹层、桩底硬土等都会对桩顶的实测曲线有影响；地层岩性不一样时，在施工过程中比如预应力管桩，当遇到卵石层时桩身进尺会比较困难，当桩顶受到比较大的压力时，很容易会在桩身下半段产生裂纹或者断裂；当存在空洞时，在灌注桩施工过程中，空洞部分的土质会比较松软，容易塌落至孔中，如果清理不及时会影响成桩质量；桩底下卧层对桩体承载力的影响很大，因为作为桩端持力层如果其岩层不牢固，在施工完毕后当受到上部荷载之后，桩体基本不受承载力。对于灌注桩、CFG（水泥粉煤灰碎石桩）来说，在施工过程中由于施工区域地层土质粘结强度比较低，或地下有承压水时，会增加施工难度，由于土质握固产生负摩擦力或者塌孔等，往往会对桩身造成不同程度的缩颈或离析。地质条件属于地下隐蔽因素，情况比较复杂，施工人员需要严格按照设计文件及地勘报告进行作业。
1.2施工工艺的影响
⑴对于机械旋挖钻孔灌注桩，这种施工工艺对桩身完整性存在一定的弊端，应注意一下情况，比如：成孔之后应及时进行灌浆，灌浆之前孔底沉渣（由于孔壁塌落或者孔底没清理干净）需要控制到最少（端承桩不大于50mm，摩擦桩不大于100mm）；在浇筑混凝土过程中，需要一次性完成，避免二次浇筑，提泵速度适中，否则会对桩身质量产生影响。
⑵对于CFG桩施工，一般有这些施工工艺：长螺旋钻孔灌注成桩，施工之前在指定的点位上利用长螺旋机器旋挖成孔，将土层旋转而出，但此施工工艺遇到地下水时成孔比较困难，成孔完毕后将配制好的材料灌入孔中，同样避免二次浇筑；泥浆护壁钻孔灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土、人工填土、碎石（砾）等地基，泥浆护壁时需要合理的应用，此工序可以比较好的控制孔壁土层的塌落；沉管灌注成桩，适用于粘性土、粉土、淤泥质土、人工填土及无密实厚砂层的地基。
1.3人为因素
人为因素属于主观原因，与工作人员的心理素质、职业素养有关，需要严格按照相关工作手册进行施工及控制。
2质量检测分类
2.1完整桩及其时域、幅频信号图
完整桩在桩基检测中属于I类桩，是指桩身结构完整，质量均匀，各参数满足设计要求的桩。对完整桩来说，其桩的质量和完整性都无变化，所以其波阻抗也不会发生变化，从而波阻抗Z1=Z2，a=0，桩身无反射波现象，y=1，即全部应力波均透射过界面传至桩身下段。完整桩示意图如图1所示：
图1完整桩示意图
根据《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2014得知，完整桩典型时域信号特征曲线如图2所示：
图2 完整桩典型时域信号特征曲线图
曲线分析：由图2的曲线可知，在t=2L/c（ΔT表示检波器接受到的桩头与桩底反射信号的时间差）之前，曲线信号没有出现异常凸起，曲线信号比较平缓，直至传到桩底时有一个与入射波同相位的信号，一般情况下，根据施工桩长及应力波在混凝土中传播的平均速度确定桩底，如果波速、时间、桩长比较吻合，在规定误差范围之类时可以判定桩底的位置就在此处。
在桩基低应变反射波法桩身完整性判定中，速度幅频信号也可以作为判定其完整性的一种依据，根据《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2014得知，完整桩典型速度幅频信号特征曲线如图3所示
图3完整桩典型速度幅频信号特征
曲线分析：由图3-3可知，完整桩的速度幅频信号，其桩底谐振峰排列基本等间距，速度随着频率的增大而逐渐降低。
2.2桩身离析、夹泥或空洞及其时域、幅频信号图
桩身离析是指所浇筑的材料配合比不理想，导致桩体的某些部位砂和石头含量过高，使得混凝土不均匀，呈现出蜂窝状结构。或者在成桩过程中，孔壁比较软得土层出现塌落，与成桩材料混在了一起形成夹泥或空洞，这也直接影响到桩的强度和其承载力。
由于桩身处若存在离析、夹泥或空洞时，此段材料波阻抗变小，此时Z1<Z2，a＞0，反射波与入射波同相。缺陷类型如图4所示：
图 4离析类型桩示意图
根据《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2014得知，缩颈桩典型时域信号特征曲线如图5所示：
（备注：缩颈缺陷信号与桩身离析、夹泥或空洞差不多，都是此段波阻抗相应地变小，产生一个与入射波同相位的信号，所以缩颈缺陷曲线的信号与离析、夹泥或空洞缺陷信号的曲线类似）
图5 离析缺陷桩时域信号特征图
曲线分析：由图5分析可知，在t=2L/c之前，检波器接收到的时间Δtx=2x/c时存在一个与入射波同相位的凸起信号，此信号出现在桩底反射之前，理论上分析此处存在缺陷。
根据《建筑桩基检测技术规范》JGJ106-2014得知，缩颈缺陷桩典型速度幅频信号特征曲线如图6所示：
图6 缩颈缺陷桩典型速度幅频信号特征曲线图
曲线分析：由图6曲线信号可知，4Δf=3Δf，当桩身存在缺陷时，频差变大。
2.3桩身缩颈
桩身缩颈分为轻微、较严重、严重缩颈等现象，缩颈程度不一样对桩身质量的影响也不一样。当桩身某一截面处的面积出现了比较明显变小趋势时，相当于一个瓶子截面积变小的情况就是桩身缩颈现象。影响桩身缺陷的原因，比如与土质情况、含水量等因素有关，当土质越软、地下水越丰富时对缩颈的影响就越大，当然如果在施工过程中如果浇筑管上提时间过快时也会形成缩颈缺陷，或者混凝土本身振捣不均匀时会出现缩径现象。施工过程中沉管时，桩侧大量的泥土受到扰动和挤压，当孔隙度比较小的土质受到挤压过后，其周围会产生较高的孔隙水的压力，随着施工的完毕，当拔去桩身套管时，四周的空隙水压力便施加到了新浇筑的混凝土上，由于新浇筑的混凝土本本身的强度不足以抵抗四周空隙水的压力，就会产生变声，这样一来桩身直径就会缩小。
对于缩颈桩来说，由于桩身处存在缩颈时，桩身截面积变小，此段材料波阻抗相应地会变小，此时12Z<Z，a＞0，反射波与入射波同相。缺陷类型如图7所示：
图7 缩径类型桩示意图
2.4桩身断裂
在桩基检测中断桩是很严重的缺陷，它将直接影响到桩身承载力，断桩的特征，顾名思义，就是在桩身某一部位产生了断裂或者裂开的现象。造成桩身断裂的原因有很多，在不同类型的桩中，比如旋挖灌注桩当桩身混凝土凝期还没达到一定标准时，桩身受到桩侧土的挤压或者膨胀作用，桩身强度无法抵抗此作用力时就会产生断裂现象；在浇筑混凝土的过程中，泵车的浇筑管上拔速度过快，当旋挖孔壁内有比较软弱的土层调入孔中时，如果量比较大会形成断桩；有时候桩身横截面方向并未彻底断开，从而形成了局部断裂。预制桩由于其施工工艺是在桩顶施加锤击力，如果作用力过大，会对桩体产生大于其自身承受的力，这样一来就容易形成断桩，还有些情况，比如施工方所提供的混凝土标号不能够满足设计要求，当桩身受到高强度的压力时也会形成断桩。
当桩身断裂时，相当于此处存在一个极大的波阻抗，入射波全部反射，几乎无法透射下去，反射波传至桩顶后会形成震荡波，峰与峰间时距相等。缺陷类型如图8所示：
图8 断裂类型桩示意图
断桩波形理论示意图如图9所示：
图 9 断桩缺陷时域信号特征曲线图
波形分析：断桩低应变实测曲线图与其它缺陷桩的波形是不一样，因为桩身处存在断裂时，由于在断裂处存在空气的阻隔，相对来说空气的波阻抗远远大于混凝土的波阻抗，此时应力波将无法继续往下传播，应力波会多次反射反射到桩顶，检波器接收到的反射时间间隔一致，由于能量的衰减作用，反射信号也会自由震荡慢慢地衰减下去，故几乎找不到桩底反射信号。
2.5桩身扩径
扩径是指在完整桩的基础上，一定设计直径时，当桩身某一位置的横截面面积大于了完整桩所设计的直径，相当于出现了一个凸起的现象。在实际工作中，由于扩径桩相比完整桩来说其桩身是更保险的，对桩身承载力影响不大，可以将扩径桩当作I类桩处理。在施工过程中，旋挖灌注桩成孔时当孔壁周围土质较差，孔壁的土层被挤压至周边，形成一个空洞时，在成孔完毕后，浇筑灌浆时，由于混凝土压力过大，会向孔侧的空洞中压入混凝土，这样就会形成了大于设计直径的某一截面，形成了扩径现象。
当桩身存在扩径时，桩身扩颈处的波阻抗会变大，此时Z1<Z2，a﹤0，故反射波与入射波反相。扩径桩类型如图10所示：
图10 扩径类型桩示意图
扩径桩在实际工程中经常可以遇到，特别是基坑支护桩，在基坑开挖后桩身上半段就会裸露出来，可以很直观的看到桩身会有些部位形成一个“鼓包”，在现场测试时，实测曲线图上面会看见在对应的长度时曲线信号有一个比较明显的下拉信号，由于前面理论所述的，扩径处桩身波阻抗变大，当入射波传至此截面时，桩顶检波器会接受到一个信号，此信号的曲线相位和入射波是反向的，所以在扩径桩是比较容易判断的，其实影响与入射波反相信号的因素有很多，特别是桩侧土，如果分层很不均匀时会产生比较大的影响，不过总的来说，当形成这样一个反相信号时，对我们的结果判定是没有太大影响的。
3存在的问题及其解决办法
在前面的讨论中，我们所研究是桩身存在单一缺陷时的情况，单一缺陷的波形信号图是比较简单的，处理起来也容易判定，当我们遇到多缺陷桩、变截面桩时等时，其实测信号曲线是比较复杂的，虽然我们可以像处理单一缺陷一样，利用RSM低应变分析软件提取波形信号，通过转换成excel文件，然后将不同缺陷类型的桩的曲线数据导入到MATLAB中，利用小波变换程序，运行程序后，提取不同频率的信号，通过曲线信号的对比，达到排除干扰信号并突出缺陷特征的目的。但是这些方法对复杂曲线信号的判定仍具有一定的局限性，下面我们先介绍一下他们的缺陷特征，然后提出相应的解决办法。
3.1多缺陷桩
多缺陷桩，很明显其意思，就是桩身中可能在某一部位出现缩颈，在桩身另一部位出现离析或者夹泥现象，当遇到这种情况时，可想而知，桩顶激发的应力波在沿桩顶向下传播过程中，由于缺陷比较多，遇到不同的波阻抗，入射波的能量就损耗的越多，桩顶接受到的反射信号就会越来越弱，在产生不同波阻抗的截面处，其信号会产生互相干扰，曲线信号会越发的复杂，当我们在处理起来时就会比较困难。对于这一现象，根据桩基低应变方法，对这一问题的处理还存在局限性，所以是我们工作中需要解决的一个问题，出于安全性的考虑，在实际工作中，一般我们在低应变检测报告中对于存在多个缺陷的单根桩，会选择信号相对来说比较明显的地方判定一个缺陷，然后建议施工单位对此桩进行进一步检测，确保工程质量。
3.2变截面桩
当桩身截面在某一部位开始逐渐缓慢变窄或者变宽时，波阻抗呈逐渐减小或增大的趋势，此时反射信号不能较明确的突出缺陷，不易判定。理论模拟图形11如下：
由此图可以看出，在变截面处由于其波阻抗渐渐变大，波形逐渐形成一个下拉的曲线，且与入射波相位相反，当截面回归正常时，相当于一个缩颈，出现一个向上凸起的信号，与入射波的信号同相位，最后在传至桩底。遇到这种情况，首先变截面那一部分我们可以判断是桩身截面逐渐变大，但是实际工作中，我们容易对桩底反射信号的判定形成失误，因为我们可以将第一个向上凸起的信号当作桩底反射信号的处理，如果变截面处一直延伸到桩底，然后在遇到波阻抗比较大的桩底界面时也会形成与入射波同相位的信号。
图11 截面渐变波形示意图
对于上述描述中所存在的问题，我们可以提出以下的解决办法：
⑴小波分析法：小波变换的定义是：把函数ψ（t）经位移τ之后，再在不同尺度a下与待分析信号做内积：
在低应变反射波法中固有软件对多缺陷、变截面桩的处理存在一定的局限性，结合小波分析法对存在的问题进行分析。如图12所示，多缺陷桩实测曲线图：
图 12 多缺陷桩实测曲线图
由此图可知，在t=0.4ms时，曲线信号出现波动，本桩作为工程标准桩，在桩身4.0m、6.5m存在缩颈和离析的缺陷，在此之前存在波动信号，为我们对桩身缺陷的判定存在干扰。
重构的第7阶高频信号如图13所示：
图13 重构第 7 阶高频信号曲线图
图形分析，在t=0.4ms左右时，波动的干扰信号被提取出来了，下面将该信号进行剔除。剔除第7阶高频信号后，如图3-14所示：
图14 剔除第7阶高频信号后曲线图
图形分析，干扰信号进行了剔除，小波分析法的应用取得了比较好的效果。
⑵声波透射法：声波透射法也称作超声波法，该方法一般适合用于混凝土灌注桩中的桩身完整性检测，它可以判定缺陷的位置、涉及的范围以及缺陷程度。旋挖灌注桩有直径的要求，一般对于桩径大于600mm的桩才宜采用此方法进行桩身完整性的检测。在实际现场操作中，有相应的要求：在灌注桩的桩侧所预埋的声测管的内径应该大于超声波探头的外径；预埋的声测管要有足够的刚度，它的材料也有一定的要求，应该保证其温度参数和混凝的比较接近；预埋的声测管，其下端应该进行封闭处理，这样就可以保证灌入的水不会漏掉，在下管过程中，管的上端应该用一个可以拧开的盖子进行密封，避免泥土等进入，在下管过程中避免发生碰撞导致管壁变形，如果发生管径缩小时，超声波的探头将无法探到管底，影响检测；预埋的声测管其关口的高度应高出混凝土顶面0.1m以上。检测过程中应实时地显示和记录每条声测线的信号和时程曲线，并读取首波声时、幅值。
声波透射法可以检测出全桩身的各截面混凝土质量情况，桩身是否存在混凝土离析、夹泥、缩颈、密实度差和断桩等缺陷，其结果比低应变法直观可靠，同时现场操作简便，检测速度快，不受长径比和桩长的限制。其缺点是被检测桩需要预埋声测管，一个工程不可能所有灌注桩都预埋，这样造价太高，灌注桩施工前就指定检测哪几根桩，施工单位必然对欲要检测的桩精心施工，所以该检测方法的代表性是不够的，还有该方法无法检测桩底沉渣。
⑶钻芯法：钻芯法是一种比较全面的检测方法，除了检测桩体承载力外，该方法可以检测钻孔灌注桩的桩身长度、桩身完整性和桩底沉渣厚度，通过实验室的单轴抗压强度试验，可以检测桩身混凝土的强度。如果检测桩端持力层的情况，一般应将桩体钻穿之后，继续钻进且钻进深度不能小于桩径的3倍，因为桩端持力层下伏可能存在软弱夹层或者空洞，这将直接影响到桩体的承载力。钻芯法能够很直观的判断桩身完整性，更主要的在于检测桩端沉渣的厚度，但是其成本较高，机械设备运移比较麻烦。
3.3浅层缺陷的特征
浅层缺陷也类似于低应变反射波法的测试盲区，桩身浅层缺陷难于判定其位置。当桩顶受到敲击，可视为点振源，最初形成的波动区为半球面波，直至传播一定深度后，才能近似看作平面波，满足平截面假定，在此深度内，应力波遇到缺陷反射的上行波将与能量较大的入射波混叠在一起，使反射信号难于识别。由波长公式
λ=cτ=c/f （1）
λ——应力波波长；
c——应力波波速；
τ、f——分别为激振力脉冲宽度和频率。
当激振力脉冲f小，例如用较软的锤头敲击，波长Kd长，且大于桩身缺陷深度时，如缺陷深度L’≤﹙1/8-1/2）λ时，应力波将发生绕射，波动现象不明显。低应变检测的激振力脉冲宽度假定为0.25ms～1ms，其频率为1000Hz～4000Hz，假定波速c=4000m/s，则λ=（1~4）m，缺陷深度L’≤2m，缺陷深度L’≤2m以内称为测试盲区。
浅层缺陷类似于低应变反射波法的测试盲区，桩身浅层缺陷的位置难于判定。当桩顶受到敲击时，可视为点振源，最初形成的波动区为半球面波，直至传播一定深度后，才能近似看作平面波，满足平截面假定，在此深度内，应力波遇到缺陷反射的上行波将与能量较大的入射波混叠在一起，使反射信号难于识别。
如果是用重锤橡胶头、尼龙头进行激振力，浅部缺陷很难测出来，所测曲线一边是如图15的效果，浅层缺陷位置被绕射了，因为重锤橡胶头、尼龙头激发的波形，其频率较低，波长较长。
图 15 重锤尼龙头激振曲线图
由图15可知，此曲线属于完整桩类型，桩底反射清晰可见，曲线很光
滑。当用轻锤金属头进行激振时，如果桩身浅部存在缺陷，那么波形是比较复杂的，如图16所示：
图16 轻锤金属头激振曲线图
由图15轻锤金属头激振曲线图可知，相比于图16，曲线信号复杂了许多，由于浅部存在一个缺陷，导致在桩底反射信号之前出现多次反射的信号。因为轻锤金属头激振力会集中产生很多高频率的波，频率越高，波长越短，在桩顶至浅部缺陷之间距离大于高频波的波长，所以缺陷信号比较明显。曲线的基本形态为长周期的正弦振荡曲线，总体呈指数规律衰减；敲击之后，首先记录到的首波波幅较正常桩的明显大，甚至出现“降幅”现象；首波后往往叠加有浅部缺陷的多次反射波，小锤敲击时往往更加明显，而大锤敲击时产生的缺陷反射波则不明显；当缺陷为全部断裂时，实测曲线往往表现为正弦振荡信号；当缺陷为局部断裂或严重缩颈时，振荡曲线上叠加有缺陷断面的反射波。
根据低应变反射波法检测桩基完整性的基本原理，参考相关物理模型理论采用高频激振采集信号曲线判别桩身浅部缺陷位置的方法，并通过现场检测实践，证明了此方法效果良好。在现场实际采集数据的过程中，当发现不易于判定的信号时应进行多次的检测，采集更多的曲线信号，这样一来避免了真正处理数据时遇到原始资料不足的，重新返场测试的麻烦。在多次测试的过程中应该注意几点：检波器的安装可以放置在桩顶的不同地方，且应与桩顶粘结紧密，尽量形成一个整体进行振动；力锤可以采取不同的锤头材质，特别是对于浅层缺陷桩，应采取合适的高频信号进行激发；现场测试的仪器其采样频率应设置比较高。
3.4解决方法
对于浅层缺陷的检测，桩基低应变反射波法所测试出来的曲线信号比较复杂，导致不能够比较精确的判定其缺陷存在的位置以及其严重程度，我们首先可以利用桩基低应变固有软件进行分析，结合小波分析法对其信号进行提取，如果发现效果不理想，还需要进一步采取检测措施，我们所解决的方法为：
⑴声波透射法：声波透射法可以比较全面的检测桩身完整性，但对于浅部缺陷，声波透射法要考虑几点的是：声波透射法检测要预埋声测管，如果在之前没有做此前其准备工作，后期的声波透射法就无法进行；声波透射法的声测管上端高度要高于桩顶，否则在桩身浅部位置的测试信号容易失真；
⑵开挖法：由于是为了验证浅部缺陷的位置及其损害程度，现场可以利用挖机对存在浅部缺陷的桩进行开挖，开挖法是一种比较直观的验证方法，而且成本不高，还有一点优点在于开挖之后，当浅部缺陷，比如缩颈、离析、断裂等时，可以比较方便的采取补救措施，例如将缺陷位置以上的桩体进行裁桩处理，然后再进行结桩措施，这样一来就能够比较好的解决此特殊问题；
⑶钻芯法：钻芯法检测也是一种比较直观的检测方法，但相比于开挖法存在一定的局限性，首先钻芯法成本比较高，如果所检测的桩事先被选去为低应变反射波法和钻芯法试验，那可以采用此方法，钻芯法可以钻取桩身里面的缺陷，当存在夹泥或较严重的离析时，钻杆起钻时，钻杆内的芯样会直接显示其缺陷情况；如果此桩事先没有作为钻芯法检测的桩，当低应变法检测出此桩可能存在浅部缺陷需要验证时，钻芯法就比较耗用成本，一般建设单位综合经济不会考虑此方法。
⑷小波分析法：对浅层缺陷利用小波分析法，进行信号的提取及解释。
4结论
应力波反射波法对基桩完整性的检测理论还不够完善，我们通常是将桩看成是一维杆件进行研究，应力波的原理我们应该加强学习，这样在工作中我们才能更好的理解其原由，提高我们检测人员的技术水品和实践能力，比如在工作中遇到难以判定的曲线时，可以相互讨论，得出比较统一的结论，这样在以后的工作中遇到痛的问题时就比较方便解决；实践出真知，遇到问题就要去思考去解决，低应变反射波法检测桩身完整性虽然有其自身的局限性，但我们要学会利用其它的检测方法（比如声波透射法、钻芯法等）进行综合解决。
论文作者:薛大伟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/18
标签：缺陷论文; 信号论文; 反射论文; 曲线论文; 桩基论文; 截面论文; 阻抗论文; 《基层建设》2018年第1期论文;