本文針對某樁基工程采用低應(yīng)變反射波法檢測鉆孔灌注樁工程質(zhì)量的實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)分析，貴州地基檢測為你闡述低應(yīng)變反射波法的基本理論及其作用和缺陷，實(shí)踐證明該方法能較有效的對樁基進(jìn)行檢測。

1貴州地基檢測告訴你低應(yīng)變反射波法

低應(yīng)變反射波法是以一維邊界條件下的波動(dòng)方程(公式(1))為理論基礎(chǔ)，通過分析應(yīng)力波在樁體(一維桿件)中傳播、反射的時(shí)域曲線特征和頻域曲線特征來確定樁身完整性的一種方法。

式中：c為波的傳播速度；u(x，t)為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移；E為彈性模量； 為密度。

1．1時(shí)域和頻域分析

在樁頂激振后，產(chǎn)生應(yīng)力波，(壓縮波)，應(yīng)力波沿樁身傳播遇到波阻抗變化界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，和透射波 (見圖1)，應(yīng)力波在樁頂和波阻抗發(fā)生變化界面處(或樁底)傳播、反射，形成樁一土系統(tǒng)的特征頻率， 反射波的相位特征、頻率特征、形態(tài)特征可以反映出波阻抗的變化特征(見式(2)～式(5))。

式中：A為截面積；Z為波阻抗； ，為反射系數(shù)；△ ，為特征頻率； Ⅱ?yàn)闃兑煌磷枇瘮?shù)，0Z 時(shí)a一0，Z。>Z，時(shí)a≈ O．5。

根據(jù)公式(3)可以把樁身混凝土的波阻抗變化特征歸納為以下三種類型：

① Z 一Z，，即波阻抗無變化，R，=0，應(yīng)力波全部透射，不產(chǎn)生反射波。樁身混凝土結(jié)構(gòu)均勻、完整、無缺陷且樁底基巖波阻抗與樁身混凝土波阻抗基本相同。

② Z >Z，，即反射界面下段波阻抗變小，R < 0，反射波與入射波同相，該類波阻抗變化特征主要對應(yīng)于樁體內(nèi)有縮徑、離析、斷裂、夾泥等缺陷。

③ Z < Z，，即反射界面下段波阻抗變大，R，>0，反射波與入射波反相，該類波阻抗變化對應(yīng)于樁體存在擴(kuò)徑、樁底基巖強(qiáng)度大于樁身混凝土強(qiáng)度的現(xiàn)象。

L 2時(shí)域和頻域波速計(jì)算

應(yīng)力波在樁頂和波阻抗反射界面之間傳播；在頻率、速度、距離上存在以下關(guān)系：

式中：C為樁身的一維應(yīng)力波縱波波速(m／s)，簡稱波速；L為樁頂測點(diǎn)與反射界面的距離(m)；△ t為續(xù)至反射波峰值與初至入射波峰值的時(shí)刻差；△ f為幅值譜上樁頂和反射界面相鄰峰值間的頻率差，即樁的特征頻率(Hz)。

2常見缺陷類型低應(yīng)變時(shí)域曲線特征

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求，灌注樁施工過程中采用不同的施工工藝，施工過程中樁身混凝土也會(huì)出現(xiàn)不同的缺陷特征和質(zhì)量問題，在低應(yīng)變時(shí)域曲線上也會(huì)有不同的特征。

(1)樁身結(jié)構(gòu)完整，混凝土粗骨料分布均勻、固結(jié)完整，樁身無明顯的波阻抗變化，低應(yīng)變時(shí)域曲線樁底反射特征明顯，波速在對應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級范圍內(nèi)。曲線形態(tài)特征見圖2。

(2)人工挖孔樁在樁孔內(nèi)無水情況下，如果不采用水下導(dǎo)管灌注工藝，混凝土施工過程中容易出現(xiàn)機(jī)械振搗不足，混凝土固結(jié)不夠均勻密實(shí)，或者混凝土固結(jié)時(shí)間不足的質(zhì)量問題，應(yīng)力波在此類樁身混凝土中傳播會(huì)發(fā)生散射和繞射，應(yīng)力波的能量被吸收，衰減作用比較強(qiáng)烈，樁的波速也相對偏低。曲線形態(tài)特征見圖3。

(3)在成孔過程中遇到地震可液化層、軟弱土層或承壓水層時(shí)，往往需要夯填大量片石、膨潤土、水泥等并擠壓至孔壁土層，以加固孔壁或者封堵承壓水，該類夯填物的波阻抗遠(yuǎn)大于樁周土的波阻抗，從而形成高阻抗反射界面。另外，孔壁局部坍塌也可導(dǎo)致坍塌處擴(kuò)徑成高阻抗反射界面。曲線形態(tài)特征見圖4。

(4)在混凝土灌注過程中如果導(dǎo)管1：3離隔離層距離太短，或?qū)Ч苈┧菀滓鹛湮?、浮漿被埋入樁體混凝土中，形成離析、夾泥的低波阻抗反射界面，該類樁的曲線形態(tài)特征見圖5。

(5)在可塑～流塑的粘性土層中，孔壁土體在自重壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，形成縮徑。該類樁的益線形態(tài)特征與離析、夾泥等缺陷的曲線形態(tài)特征類似。 曲線形態(tài)特征見圖6。

(6)在灌注樁施工過程中，如果導(dǎo)管口上提超過隔斷層，將隔斷層之上大量孔壁坍塌物、泥漿等懸浮物淹沒于樁身混凝土之間就會(huì)形成斷樁，此時(shí)，完整混凝土的波阻抗遠(yuǎn)大于樁體中坍塌物、泥漿等懸浮物的波阻抗(反射系數(shù)趨近于1)，有效應(yīng)力波將在波阻抗變化界面和樁頂之間來回反射傳播 形成二次反射或多次反射。曲線形態(tài)特征見圖7。

其中，A、B、C、D點(diǎn)分別為反射波的初至及續(xù)至波到達(dá)樁頂?shù)臅r(shí)間，根據(jù)公式(6)，相鄰反射波峰之間的時(shí)間差△ t(頻差△ f)是相同的。即：△t0A=△tAB=△ 。：△ 。，這是對時(shí)域和頻域曲線進(jìn)行分析過程中判定是否為斷樁缺陷最為主要的依據(jù)。

3低應(yīng)變現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集要點(diǎn) 

3．1安裝樁頭處理和傳感器

① 樁頭應(yīng)鑿去浮漿，露出完整、密實(shí)混凝土，凸凹高差不宜超過3 Cm。

② 在樁頂平面中心和距中心2／3倍半徑處均勻布置3～4處直徑不小于l 0 Cm的平面，作為應(yīng)力波激發(fā)點(diǎn)或傳感器接收點(diǎn)。

③傳感器用橡皮泥、黃油或石膏緊密粘合于接收點(diǎn)平面。

3．2選擇激振設(shè)備

一般情況下構(gòu)成力錘的材質(zhì)越軟，產(chǎn)生的低頻成分就越豐富，低頻應(yīng)力波的能量就越集中，探澍的深度就越深；反之，構(gòu)成力錘的材質(zhì)越硬，激發(fā)高頻成份就越多，高頻應(yīng)力波的能量就越集中，能量衰減就越快，探測的深度就越淺。低頻波雖然有利于探測樁底反射和深部缺陷，但是會(huì)降低對淺部缺陷和小型缺陷的分辨率；高頻波雖然有利于探測樁淺部缺陷和小型缺陷，但是能量衰減比較快，很難探測到深部的缺陷， 同時(shí)高頻應(yīng)力波容易受淺部外界干擾因素(樁頭不規(guī)則、鋼筋籠諧振)的影響產(chǎn)生干擾信號(hào)。因此在實(shí)際檢測過程中應(yīng)根據(jù)樁長和需要檢測的深度，反復(fù)比選，尋找合適的激振設(shè)備，才有可能獲得正確的波形曲線。常見的激發(fā)力錘有：小鋼錘、小銅錘、尼龍錘、木錘等。

3．3貴州地基檢測位分析現(xiàn)場異常情況

現(xiàn)場實(shí)測過程中經(jīng)常會(huì)遇見一些奇特的波形，引起波形異常的原因主要和激發(fā)方式、傳感器安裝以及樁頭處理有著密切的關(guān)系。

(1)時(shí)域曲線初至波攜帶高頻子波，出現(xiàn)這種情況的原因在于被測樁存在淺部缺陷，見圖8。

(2)時(shí)域曲線初至波與續(xù)至波呈超低頻特征，出現(xiàn)這種情況的原因在于安放傳感器的混凝土體與樁體完整混凝土已經(jīng)有裂隙。時(shí)域曲線反映的是松動(dòng)混凝土體的低頻諧振，見圖9。

(3)時(shí)域曲線初至波形頂端分叉，出現(xiàn)這種情況的原因在于激發(fā)力棒或力錘頂端有劈裂現(xiàn)象，見圖1 0。

(4)時(shí)域曲線偏離基線，或出現(xiàn)高頻振蕩，這種現(xiàn)象主要是由于傳感器結(jié)合面不水平、激振時(shí)不垂直或激振點(diǎn)、傳感器接收點(diǎn)靠近樁項(xiàng)環(huán)樁箍筋所致，見圖11。

(5)當(dāng)傳感器與激振點(diǎn)距離比較近或激振能量比較大的時(shí)候，信號(hào)曲線上會(huì)有比較多的面波干擾信號(hào)，這些信號(hào)將淹沒淺部缺陷的反射信號(hào)，見圖1 2。

4低應(yīng)變反射波法檢測缺陷 

4．1淺部缺陷的檢測盲區(qū)

樁頂激發(fā)脈沖波在初始傳播階段其實(shí)是半球面波，當(dāng)傳播到一定距離以后，球面波才可能近似看作平面波，滿足低應(yīng)變平面假設(shè)條件，而從樁頂?shù)酱松疃确秶鷥?nèi)應(yīng)力波的傳播比較復(fù)雜，信號(hào)干擾嚴(yán)重，這個(gè)區(qū)域被稱為一維應(yīng)力波的盲區(qū)；該盲區(qū)深度范圍在l倍的樁徑到1／2波長之間。盲區(qū)的大小與激發(fā)脈沖信號(hào)的寬度密切相關(guān)，實(shí)測過程中可以通過提高力錘硬度、減弱激發(fā)能量、減小脈沖寬度等方式減小盲區(qū)范圍。

4．2難以探測到深部缺陷

由于樁身混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致應(yīng)力波在傳播過程中的散射、繞射和反射，從而削弱了應(yīng)力波傳播的振幅和能暈，同時(shí)樁周土對有效應(yīng)力波也起衰減作用，一般情況下，樁長超過川I1]左右就難以接收到樁底反射信號(hào)。同時(shí)樁身存在的淺部嚴(yán)重缺陷(如斷樁)將入射波的能量大部分轉(zhuǎn)換為反射波從而削弱了透射波的能量，如圖7，對于埋深4m以下的缺陷就無法再采集到有效信號(hào)。

4．3缺乏判定缺陷程度的依據(jù)

低應(yīng)變檢測資料分析過程中，對于時(shí)域曲線的反射波形特征，可以根據(jù)時(shí)域和頻域分析，計(jì)算缺陷存在的位置，根據(jù)有無樁底反射波、反射波的相位特征、是否存在二次或多次反射以及反射波的振幅衰減情況、頻率變化情況，可以定性地判斷樁體是擴(kuò)徑、離析、夾泥、縮徑或者斷裂。但是對于缺陷存在的厚度、大小以及對于工程質(zhì)量的影響程度則缺乏完整的分析、評價(jià)依據(jù)。在實(shí)際現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析過程中往往采取抓大放小的原則確定樁身質(zhì)量缺陷的程度。

結(jié)束語

貴州地基檢測提醒你：低應(yīng)變反射波法具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集簡單、快捷的特點(diǎn)，能夠?qū)Υ罅康墓こ虡对诙虝r(shí)間內(nèi)開展質(zhì)量普查工作，本著“抓大放小” 的原則，對樁長相對較短、反射波形特征比較明顯的基樁質(zhì)量缺陷作出比較客觀的評價(jià)，但是受激振方式、樁身質(zhì)量、樁端土和樁周土的地質(zhì)特性以及儀器設(shè)備等因素的影響，難以探測到長、大樁深部的缺陷； 同時(shí)，僅根據(jù)缺陷的反射波形特征、相位變化特征、頻率變化特征還無法對缺陷的大小和對工程質(zhì)量的影響程度作出定量的評價(jià)，對于低應(yīng)變反射波時(shí)域曲線上反映比較突出的缺陷還需要結(jié)合鉆探取芯驗(yàn)證確定其質(zhì)量缺陷程度。