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摘要：桩基动测技术是一门交叉学科，它不仅涉及建筑工程、地质学、材料科学而且是声学、电子技术、计算机技术的综合应用。本文阐述了反射波法检测原理，对桩基动测中低应变反射波法的要点以及检测数据分析处理与结果判定。
关键词：基桩低应变；反射波；桩身完整性
1 引言
低应变反射波法在国内外使用最普遍的基桩完整性检测手段之一，其优势在于反射波法现场操作简单，仪器设备便于携带，波形容易判断，以及速度快、成本低，适合大面积测桩等特点，受大部分检测机构广泛应用。
2 检测原理
基桩低应变法检测桩身结构完整性的原理是：通过在桩顶施加激振信号产生应力波，该应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面（如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷）和桩底面时，将产生反射波，检测分析反射波的传播时间、幅值和波形特征，就能判断桩的完整性。
假设桩为一维线弹性杆，其长度为L，横截面积为A，弹性模量为E，质量密度为ρ，弹性波速为c，（），广义波阻抗为；推导可得桩的一维波动方程为，即：
假设桩中某处阻抗发生变化，当应力波从介质Ⅰ（阻抗为Z1）进入介质Ⅱ（阻抗为Z2）时，将产生速度反射波Vr和速度透射波Vt。令桩身结构完整性系数，则有：
缺陷的程度根据缺陷反射波的幅值定性确定，缺陷位置根据反射波的时间tx由下式确定：
3.1 选择现场测试时间
对于混凝土灌注桩试验宜选择在混凝土龄期大于14天或混凝土强度大于15Mpa，对长桩选在混凝土到达龄期后，对于打入的预制桩，桩打入后立即进行低应变检测，更有利于获得桩底反射，因为刚打入的桩侧摩阻力远小于1-2周后的侧摩阻力。
3.2 桩头处理
首灌注桩应凿去桩顶浮浆或松散、破损部分，并露出坚硬的混凝土表面；桩顶表面应平整干净且无积水；妨碍正常测试的桩顶外露主筋应割掉。对于预应力管桩，当法兰盘与桩身混凝土之间结合紧密时，可不进行处理，否则，应采用电锯将桩头锯平。
3.3 传感器安装
（1）传感器用耦合剂粘结时，粘结层应尽可能薄；必要时可采用冲击钻打孔安装方式，但传感器安装面应与桩顶面紧密接触。
（2）相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，不可避免地产生表面波和横波的干扰（当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的干扰加剧）。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰的程度也不同；对混凝土实心桩，当检测点位于距桩中心约2/3半径R时，所受干扰相对较小；对空心桩，当检测点与激振点平面夹角约为90°时也有类似效果。另应注意增加安装点与激振点距离或平面夹角将增大锤击信号与响应信号的时间差，造成波速或缺陷定位误差。测振传感器安装点、锤击点布置示意如图3-1。
（3）当预制桩、预应力管桩等桩顶高于地面很多，或灌注桩桩顶部分桩身截面很不则，或桩顶与承台等其他结构相连而不具备传感器安装条件时，可将测量响应传感器安装在桩顶以下的桩侧表面，且宜远离桩顶。
图3-1 传感器安装点、锤击点布置示意图
3.4 锤及锤垫的选择
瞬态激振通过改变锤的重量及锤头材料，可改变冲击入射波的脉冲宽度及频率成分。锤头质量较大或刚度较小时，冲击入射波脉冲较宽，低频成分为主；当冲击力大小相同时，其能量较大，应力波衰减较慢，适合于获得长桩桩底信号或下部缺陷的识别。锤头较轻或刚度较大时，冲击入射波脉冲较窄，含高频成分较多；冲击力大小相同时，虽其能量较小并加剧大直径桩的尺寸效应影响，但较适宜于桩身浅部缺陷的识别及定位。
3.5 仪器参数设置及连接
（1）仪器采用内置低压电源，单轴屏蔽线短线传输，尽可能减少干扰发生。在实测桩身质量时，选择好仪器的增益、滤波频率等参数是取得真实波形和桩底反射关键，放大器能对衰减的信号作有益的补偿，使有效波更容易识别，放大倍数的调节应以桩底反射明显可辨，又不致使曲线发生畸变或漂移为原则。频率滤波有助于改善信噪比和分辨率缺陷深度对应的频率范围不同，对于深部缺陷及桩底大于30m的桩，选频率范围0-200HZ；中部缺陷或桩底大于25m左右的桩，频率范围0-500HZ；浅部缺陷及短桩频率范围0-2000HZ.积累经验选择合适的滤波范围，以便简单直观判别桩身缺陷和桩底反射。存储信号应选择重复性好、桩底反射明显，干扰少的波形正常情况每根桩存储3个波形，对于有缺陷的桩应敲击不同的位置存储更多的波形，且应保持波形的一致性以便缺陷分析。
（2）仪器连接见图3-2。
图3-2 基桩低应变法检测仪器设备现场连结示意图
3.6 信号采集和筛选
（1）根据桩径大小，桩心对称布置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。
（2）检查判断实测信号是否反映桩身完整性特征。
（3）不同检测点及多次实测时域信号一致性较差，应分析原因，增加检测点数量。
（4）信号不应失真和产生零漂，信号幅值不应超过测量系统的量程。
4 检测数据分析与结果判定
4.1 信号处理
（1）采用加速度传感器时，可选择不少于2000Hz的低通滤波对积分后的速度信号进行处理；采用速度传感器时，可选择不少于1000Hz的低通滤波对速度信号进行处理。
（2）当桩底信号较弱时，可采用指数放大，被放大的信号幅值不应大于入射波的幅值，进行指数放大后的波形尾部应基本回零。
4.2 波速确定
（1）当桩长已知、桩底反射信号明确时，在地质条件、设计桩型、成桩工艺相同的基桩中，选取不少于5根Ⅰ类桩的桩身波速值按下式计算其平均值：
式中 ——桩身波速的平均值（m/s）；
—— 第i根受检桩的桩身波速值（m/s），且︱ci－cm︱/cm≤5%；
——测点下桩长（m）；
——速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差（ms）；cm
——幅频曲线上桩底相邻谐振峰间的频差（Hz）；
——参加波速平均值计算的基桩数量（n≥5）。
（2）当无法按上款确定时，波速平均值可根据本地区相同桩型及成桩工艺的其他桩基工程的实测值，结合桩身混凝土的骨料品种和强度等级综合确定。
4.3缺陷位置确定
桩身缺陷位置应按下列公式计算：
式中 x——桩身缺陷至传感器安装点的距离（m）；
——速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms）；
c——受检桩的桩身波速（m/s），无法确定时用cm值替代；
Δf ′——幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差（Hz）。
5 桩身完整性判定
桩身完整性类别应结合缺陷出现的深度、测试曲线信号衰减特性以及设计桩型、成桩工艺、地质条件、施工情况，结合《建筑基桩检技术测规范》（JGJ 106-2014）的时域信号或幅频信号桩身完整性判定（见表5-1）进行综合分析。
反射波的幅值大少除受缺陷程度影响外，还受桩周土阻尼大小及缺陷所处的深度位置影响。相同程度的缺陷因桩周土岩性不同或缺陷埋深不同，在测试信号中其幅值大小各异。因此如何正确判定缺陷程度，特别是缺陷是否明显时，如何区分Ⅲ类桩还是Ⅳ类桩，应仔细对照桩型、地质条件、施工情况结合当地经验综合分析判断；不仅如此，还应结合基础和上部结构对桩的承载安全性要求，考虑桩身结构破坏引发桩身承载力不足的可能性进行缺陷类别划分，不宜单凭测试信号定论。
6 结语
基桩低应变反射波法是基桩完整性检测常用的检测手段，其特点是简便、快速、结果较可靠。利用低应变的试验结果来确定基桩静载试验、钻芯法试验、高应变法试验的桩位，可以使检测数量不多的基桩静载等试验的结果更具有代表性，弥补基桩静载等试验抽样率低带来的不足；或基桩静载试验等出现不合格桩后，用来加大检测面，为基桩处理方案提供更多的依据。
参考文献：
[1]《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014）
[2]《港口工程桩基动力检测规程》（JTJ 249-2001）
[3]《工程桩质量检测技术培训教材》
论文作者:谢振宇
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/7
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