反射波法檢測基樁完整性要點及數(shù)據(jù)分析處理

宋麗虹

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

1 檢測原理

當于樁頂垂直施加一瞬時作用力，使樁的端面質(zhì)點受力產(chǎn)生振動，而振動的傳播便形成了波，此彈性縱波就會沿著樁身進行傳播。當波從一種介質(zhì)進入另外一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分波被反射，反射波被置放在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮?另一部分波透射進入另外一種介質(zhì)。利用應力在樁中傳播，且樁身的波阻抗發(fā)生變化會產(chǎn)生反射的原理，通過分析反射波的幅值、相位、到達時間，可得出樁缺陷的大小、性質(zhì)、位置等信息，最終對樁基的完整性給予評價:波在傳播過程中，如遇到波阻抗界面，將產(chǎn)生聲波的反射和透射，應力波反射和透射能量的大小取決于兩種介質(zhì)波阻抗的大小。由波動理論可知，當應力波遇到斷裂、離析、縮頸底時，由于波阻抗變小，反射波與入射波初動相位同相;當應力波遇到擴頸、擴底時，波阻抗變大，反射波與入射波的初動相位反相。結合振幅大小、波速高低、反射波到達時間等可對樁的完整性、缺陷程度、位置等做出綜合判斷。

反射波速度—反射系數(shù)—入射波速度關系式:

其中，VR為反射波速度;VI為入射波速度;RV為反射系數(shù);Z為波阻抗;A為樁截面積，m2;c為波速，m/s;ρ為材料質(zhì)量密度，kg/m3。

2 測試要點

2.1 測試前的準備

1)收集相關資料。了解地質(zhì)條件、樁型、樁的設計參數(shù)、成樁工藝或成樁質(zhì)量檢驗等資料。

2)樁頭處理。在不損壞樁頭整體性的前提下，清除浮漿及未膠結好的混凝土且使樁面水平、平整。

2.2 傳感器的選擇與安裝

1)選擇。要有寬的頻率響應范圍、有穩(wěn)定的傳感性能，傳感器的頻響特性應能滿足不同測試對象、不同測試目的的需要。當檢測長樁的樁端反射信息或深部缺陷時，應選擇低頻性能好的傳感器;當檢測短樁或樁的淺部缺陷時，應選擇加速度傳感器或寬頻帶的速度傳感器。

2)安裝。使用黃油、橡皮泥、牙膏等粘結材料，粘結層要薄，不可采用手持方式，使傳感器與樁頂面緊密接觸且與樁頂面垂直，粘結點宜遠離鋼筋籠的主筋，避免產(chǎn)生干擾。傳感器的耦合點及錘的敲擊點都必須干凈、平整、堅硬、無積水，所以在測試前應對樁頭進行必要的處理——清除樁頭表面的浮漿及其他雜物、在樁頭打磨出兩小塊平整表面分別用以安放傳感器、手錘敲擊。妨礙正常測試的外露主筋應割掉。

使用不同的粘結材料，所獲得的波形也有差異。如圖1～圖3所示，選用橡皮泥測得的波形曲線有較大震蕩，影響檢測結果的分析，黃油粘結效果則較好，牙膏次之。因此，在檢測過程中應優(yōu)先選擇黃油作為粘結材料。

圖1 使用黃油粘結

圖2 使用牙膏粘結

圖3 使用橡皮泥粘結

傳感器在信號采集過程中不得產(chǎn)生滑移或松動(如圖4所示為傳感器安裝不緊貼導致的波形變化)。

圖4 傳感器安裝不緊貼導致的波形變化

2.3 激振

1)激振點。宜選在樁頂中心部位。

2)激振方式。以自由落體和沿樁軸向垂直敲擊為宜，有利于抑制質(zhì)點的橫向振動。選擇合適材質(zhì)的錘子或力棒及合適的激振力度。根據(jù)公式可得，若檢測短樁或樁的淺部缺陷，則選用硬材質(zhì)榔頭，獲得高頻波，此時波長較短，分辨率高;若檢測長樁或深部缺陷，則宜選用重錘或力棒(材質(zhì)相對軟些)或錘墊來獲得低頻寬脈沖波，此時波長較長，波在傳播過程中衰減慢，可收到明顯的深部缺陷處或樁底反射波。因此，應根據(jù)樁的特點，激發(fā)合適脈沖寬度的入射波。有時在同一根樁上，按照不同的檢測目的，需要產(chǎn)生不同的脈沖寬度。激振時錘子或力棒應垂直于樁面，錘擊點平整，錘擊干脆，形成單擾動。若現(xiàn)場有重型機械施工會產(chǎn)生振動干擾，此時不宜測試采樣。

2.4 施工技術水平等因素引起樁身質(zhì)量問題的波形分析

1)拔管過快或塑性土膨脹導致縮頸，出現(xiàn)同相反射波(見圖5a))。

圖5 樁身質(zhì)量問題的波形分析圖

2)土層出現(xiàn)不穩(wěn)定的砂礫層、砂層、淤砂層等，易導致擴頸，出現(xiàn)反相反射波(見圖5b))。

3)水下混凝土灌注孔較深時，不采用導管澆灌混凝土，混凝土自由下落或出現(xiàn)各種機械故障引起混凝土澆筑不連續(xù)，在導管中停留時間過長而卡管;導管進水造成混凝土離析，反射波形表現(xiàn)為波幅值降低，波形較亂，甚至找不出明顯的同相和反相的子波(見圖5c))。

4)樁底沉渣量過多，樁底反射波顯示為同相(見圖5d))。

5)灌注時間長、表層混凝土流動性差、導管埋深淺、導管提升過猛使混凝土卡管、導管嚴重漏水或突然停電等機械故障引起的斷樁、夾泥，上部斷裂往往呈高頻多次同相反射、反射波頻率值較高，衰減較慢;中部斷裂反映為多次同相反射，缺陷的反射波幅值較低;而深部斷裂波形，類似摩擦樁樁底反射，但算得的波速明顯高于正常樁的波速(見圖5e))。

6)樁頭處理不好，表面有低阻抗樁頭浮漿，致使樁頭混凝土強度偏低，測試結果無法反映樁的完整性，曲線反映為入射波峰較低、脈沖較緩，且后續(xù)波形呈低頻(見圖5f))。

7)了解土層參數(shù)(或地質(zhì)資料)，避免因地質(zhì)條件變化引起的誤判(見圖6)。

圖6 土層變化圖

圖7 數(shù)據(jù)分析圖

3 數(shù)據(jù)分析

1)分析原始信號。初步判斷樁身完整性。2)頻域分析。分析樁身完整性和信號頻率成分，為進一步時域分析做準備。3)深入時域分析。對信號進行如下處理，以便去掉無關信號，將樁身完整性的各種反映充分展現(xiàn)出來，便于準確分析。a.利用指數(shù)適度放大，設置適當?shù)姆糯蟊稊?shù)和放大起點(見圖7a))。b.濾波技術(見圖7b))。c.波形處理。采用去直流、積分、設置小波因子等方式。

4 反射波法檢測樁基完整性的不足

反射波法適用于混凝土灌注樁和預制樁等剛性材料樁的樁身完整性檢測，不能檢測水泥土等非剛性樁、混凝土竹節(jié)樁、變直徑樁等。建設部JGJ 106-2003規(guī)定，對薄壁鋼管樁和類似于H型鋼樁也不適用。另外，低應變檢測還存在以下不足:1)對小缺陷靈敏度不高。不能檢測到樁底沉渣具體情況，不能提供單樁的承載力，無法對缺陷準確定性。目前根據(jù)波阻抗的變化，僅能將缺陷區(qū)分成縮頸類、擴頸類，進一步確定缺陷性質(zhì)需檢測經(jīng)驗及其他補充資料。2)對缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速不準，據(jù)此計算的缺陷位置誤差在10%左右。缺陷在樁軸向的高度及徑向的分布以及缺陷質(zhì)量下降的程度均難以準確計算。3)對阻抗?jié)u變類的缺陷難以判斷，甚至可能得出相反的結論。如樁身漸縮后突然恢復到原截面，則可能得出樁身存在擴頸的結論。4)樁身存在多個缺陷時，深部缺陷易漏判。如第一缺陷在淺部，尚可開挖并鑿去上部缺陷再進行檢測，否則只能通過其他方法進一步檢測。長徑比超過一定限度的樁、淺部缺陷或太小的缺陷，反射波法都無法正確檢測。綜上所述，采用反射波法檢測基樁完整性，必要時需輔以其他手段如開挖、抽芯等進一步檢測、驗證，如條件許可還可以根據(jù)情況做靜載試驗，從而在鉆孔灌注樁樁身完整性判斷中做到不漏判、不誤判。