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桩基检测之低应变反射波法简析【摘要】本文针对某桩基工程采用低应变反射波法检测钻孔灌注桩工程质量的实例进行详细分析，阐述低应变反射波法的基本理论及其作用和缺陷，实践证明该方法能较有效的对桩基进行检测。【关键词】低应变反射 数据采集 常见缺陷 检测1低应变反射波法低应变反射波法是以一维边界条件下的波动方程(公式(1))为理论基础，通过分析应力波在桩体(一维杆件)中传播、反射的时域曲线特征和频域曲线特征来确定桩身完整性的一种方法。式中：c为波的传播速度；u(x，t)为质点的运动位移；E为弹性模量； 为密度。1．1时域和频域分析在桩顶激振后，产生应力波，(压缩波)，应力波沿桩身传播遇到波阻抗变化界面时会产生反射波，和透射波 (见图1)，应力波在桩顶和波阻抗发生变化界面处(或桩底)传播、反射，形成桩一土系统的特征频率， 反射波的相位特征、频率特征、形态特征可以反映出波阻抗的变化特征(见式(2)～式(5))。式中：A为截面积；Z为波阻抗； ，为反射系数；△ ，为特征频率； Ⅱ为桩一土阻力函数，0Z 时a一0，Z。Z，时a≈ O．5。根据公式(3)可以把桩身混凝土的波阻抗变化特征归纳为以下三种类型：① Z 一Z，，即波阻抗无变化，R，=0，应力波全部透射，不产生反射波。桩身混凝土结构均匀、完整、无缺陷且桩底基岩波阻抗与桩身混凝土波阻抗基本相同。② Z Z，，即反射界面下段波阻抗变小，R 0，反射波与入射波同相，该类波阻抗变化特征主要对应于桩体内有缩径、离析、断裂、夹泥等缺陷。③ Z Z，，即反射界面下段波阻抗变大，R，0，反射波与入射波反相，该类波阻抗变化对应于桩体存在扩径、桩底基岩强度大于桩身混凝土强度的现象。L 2时域和频域波速计算应力波在桩顶和波阻抗反射界面之间传播；在频率、速度、距离上存在以下关系：式中：C为桩身的一维应力波纵波波速(m／s)，简称波速；L为桩顶测点与反射界面的距离(m)；△ t为续至反射波峰值与初至入射波峰值的时刻差；△ f为幅值谱上桩顶和反射界面相邻峰值间的频率差，即桩的特征频率(Hz)。2常见缺陷类型低应变时域曲线特征根据不同的地质条件和设计要求，灌注桩施工过程中采用不同的施工工艺，施工过程中桩身混凝土也会出现不同的缺陷特征和质量问题，在低应变时域曲线上也会有不同的特征。(1)桩身结构完整，混凝土粗骨料分布均匀、固结完整，桩身无明显的波阻抗变化，低应变时域曲线桩底反射特征明显，波速在对应的混凝土强度等级范围内。曲线形态特征见图2。(2)人工挖孔桩在桩孔内无水情况下，如果不采用水下导管灌注工艺，混凝土施工过程中容易出现机械振捣不足，混凝土固结不够均匀密实，或者混凝土固结时间不足的质量问题，应力波在此类桩身混凝土中传播会发生散射和绕射，应力波的能量被吸收，衰减作用比较强烈，桩的波速也相对偏低。曲线形态特征见图3。(3)在成孔过程中遇到地震可液化层、软弱土层或承压水层时，往往需要夯填大量片石、膨润土、水泥等并挤压至孔壁土层，以加固孔壁或者封堵承压水，该类夯填物的波阻抗远大于桩周土的波阻抗，从而形成高阻抗反射界面。另外，孔壁局部坍塌也可导致坍塌处扩径成高阻抗反射界面。曲线形态特征见图4。(4)在混凝土灌注过程中如果导管1：3离隔离层距离太短，或导管漏水，容易引起坍落物、浮浆被埋入桩体混凝土中，形成离析、夹泥的低波阻抗反射界面，该类桩的曲线形态特征见图5。(5)在可塑～流塑的粘性土层中，孔壁土体在自重压力作用下产生塑性变形，形成缩径。该类桩的益线形态特征与离析、夹泥等缺陷的曲线形态特征类似。 曲线形态特征见图6。(6)在灌注桩施工过程中，如果导管口上提超过隔断层，将隔断层之上大量孔壁坍塌物、泥浆等悬浮物淹没于桩身混凝土之间就会形成断桩，此时，完整混凝土的波阻抗远大于桩体中坍塌物、泥浆等悬浮物的波阻抗(反射系数趋近于1)，有效应力波将在波阻抗变化界面和桩顶之间来回反射传播 形成二次反射或多次反射。曲线形态特征见图7。其中，A、B、C、D点分别为反射波的初至及续至波到达桩顶的时间，根据公式(6)，相邻反射波峰之间的时间差△ t(频差△ f)是相同的。即：△t0A=△tAB=△ 。：△ 。，这是对时域和频域曲线进行分析过程中判定是否为断桩缺陷最为主要的依据。3低应变现场数据采集要点3．1安装桩头处理和传感器① 桩头应凿去浮浆，露出完整、密实混凝土，凸凹高差不宜超过3 Cm。② 在桩顶平面中心和距中心2／3倍半径处均匀布置3～4处直径不小于l 0 Cm的平面，作为应力波激发点或传感器接收点。③传感器用橡皮泥、黄油或石膏紧密粘合于接收点平面。3．2选择激振设备一般情况下构成力锤的材质越软，产生的低频成分就越丰富，低频应力波的能量就越集中，探澍的深度就越深；反之，构成力锤的材质越硬，激发高频成份就越多，高频应