基樁低應變反射波法時域信號識別技術研究

楊秦虎

（赤峰市巴林右旗建設局，內蒙古 赤峰 024000）

基樁低應變反射波法時域信號識別技術研究

楊秦虎

（赤峰市巴林右旗建設局，內蒙古 赤峰 024000）

椐據檢測實踐和現場試驗結果，對低應變反射波法檢測中經常出現的典型時域信號進行了分析研究.結果表明，傳感器粘貼好壞、肓區內淺部缺陷、長樁段擴頸現象，樁周土中軟硬夾層的組合特性及嵌巖樁樁底巖土特性變化等，在檢測曲線上均具有典型的反射信號.正確認識這些反射信號的特征，可以保證基樁低應變反射波法的檢測效果.

基樁；反射波法；典型信號；完整性；識別技術

樁基是基礎工程中最重要的基礎形式之一，在樁身完整性檢測方法中，低應變反射波法應用最為普遍，也是國家行業標準首推的方法.但在實際應用中，該法具有一定的局限性.由于反射信號的影響因素多變，該法的使用效果主要取決于測試分析人員對巖土工程、施工工藝的理解及波形測試實踐與分析經驗.為了提高該法的實際應用效果，筆者根據檢測實踐和現場試驗結果，對低應變反射波法檢測中經常出現的典型時域信號進行了分析研究.

1 傳感器粘貼效果識別

從理論上講，傳感器越輕且越貼近樁頂面，測試信號也越接近樁面質點振動，測試效果越好.

目前，傳感器安裝普遍采用粘貼方式.橡皮泥具有柔性大、污染小、衰減小、價格便宜等優點，將橡皮泥用作傳感大器的黏合劑一般可取得較好的檢測信號.如果樁同處理不平整、樁頂面未清洗干凈或寒冷季節使用，傳感器常會出現虛粘現象，導致檢測信號失真，影響判識.因此，用橡皮泥作黏合劑時，如果出現首波明顯加寬、信號波浪式振蕩等異常現象，應首先考慮傳感器粘貼不牢，需重新粘結牢后再做檢測.圖1為同一根樁傳感器虛粘和粘合牢固時的對比檢測曲線.

由圖1可以看出，傳感器粘合牢固，波形規則，樁底反射信號清晰；傳感器粘合不良，可導致首波變寬，信號震蕩明顯加大，樁底反射信號沒出現或不明顯，大大降低了檢測信號的判斷效果.

2 測試盲區內的缺陷識別

樁身淺部缺陷是樁基工程中最常見的缺陷.從樁身軸力傳遞特性可知，該類缺陷位置淺，在工作荷載下最易發生材料破壞，并且對工程質量危害最大.同時，淺部缺陷造成波形畸變，并且這種畸變很容易使樁身其他部位產生缺陷屏蔽.

樁頂至其以下2m左右深度范圍稱為測試盲區.在測試盲區樁頂應力波傳播復雜，信號干擾大.如果盲區內存在缺陷，由于激振脈沖有一定的寬度，則在脈沖寬度內，應力波遇到缺陷產生的上行反射波信號，將與能量較大的入射重疊在一起，從而給樁身淺部缺陷信號的判別增加難度.

盡管測試盲區的樁身缺陷判別難度較大，但并不是無法判斷，因為該類缺陷發生頻率高、位置淺，易于通過開挖方式予以驗證，所以可以通過不斷的對比測試和開挖驗證，來找出該類缺陷在曲線上的特征和變化規律，以指導該類缺陷的識別.實踐表明，根據以下特征對樁身淺部缺陷特別是嚴重缺陷進行判別效果較好.

完整樁波形，衰減規則，無缺陷反射波存在，樁底反射信號清晰（見圖2（a））.如果波形特征表現為較寬的入射脈沖，或首波為非半正弦波或呈明顯不對稱半正弦波，波形在整體上呈現低頻大振幅衰減振動，波形振蕩延續時間長（見圖2（a）），首波后反沖異常增大（見圖2（c）），反沖后曲線明顯在零線以上較長時間不歸零或質點振動幅值異常增大（見圖2（d）），則表明有淺部斷樁或其他類型的嚴重淺部缺陷存在.一般來說缺陷越嚴重，缺陷位置越淺，曲線異常特征越明顯.此外，淺部位的全斷面缺陷還常伴有敲擊聲音異常或明顯的樁頂和樁周土振動感等.

因為當敲擊樁頭產生的脈沖較寬時，直達信號常常會掩蓋樁頂附近的缺陷反射信號，所以可以利用靈敏度高、阻尼比恰當、高頻性能好的傳感器，來提高樁身淺部缺陷的分辨率.在現場檢測時，一般是通過增加錘頭的硬度、減小錘體尺寸和質量以及在樁頂堅硬點激發等措施，來增加激振信號的高頻成分，這可以有效提高盲區內缺陷的識別精度.例如，使用能激發出較低頻率脈沖的大質量木棒敲擊樁頂時難以精確辨識出的淺部缺陷，在較高頻率脈沖中的脆性尼龍錘敲擊下可以清晰地顯示出來（見圖3）

3 長樁段擴頸樁信號識別

實踐證明，樁身擴頸不會對基樁的正常使用產生不利影響，因此，檢測分析中一般不將擴頸看作是樁身缺陷.從樁身應力波反射規律可知，樁身擴頸引起的樁身反射信號與缺陷反射信號具有相反的相位特征.正常情況下，樁身的擴頸信號與主信號極易辨別.一般來說，擴頸在檢測曲線上表現為單一的負向反射信號.如果樁峰某處擴頸明顯且長度較大，則在擴頸段開始處反相擴頸信號明顯，在擴頸段結束處也會因樁身截面恢復到正常截面而出現明顯的正向反射信號，僅從反射相位來分析，此反射信號與正常的樁身缺陷信號難以區別，此時應將檢測信號與樁底反射特征、土層分布和基樁施工情況結合起來進行綜合判定，否則可能造成嚴重誤判.圖4為一般擴頸與長樁段擴頸的對比曲線.由圖4（a）可以看出，該樁樁頂以下11m左右處的單一擴頸表現為同一深度處有一明顯的單一負反射信號，樁底反射信號清晰.

由圖4（b）可以看出.該樁樁頂以下5.2m處出現非常明顯的負向信號，表明該深度處樁身出現非常明顯的擴頸現象，但10.8m處又出現一非常明顯的正向反射信號，表明該深度處截面縮小非常明顯，似乎存在嚴重的樁身缺陷現象.綜合分析檢測曲線、施工記錄和土層分布特征后發現，5.0-11.0m范圍內混凝土灌筑理論方量為15.1m3，但施工中實際澆筑方時為32.6m3，出現嚴重的超灌現象.據此計算，該范轉內實際樁徑超過1600mm，即該擴頸段樁身阻抗為設計樁身阻抗的4倍以上，因此，10.8m處的正向反射信號即為該擴頸段結束處的正常反射信號.考慮到該樁樁底反射較明顯，將該樁判為完整樁，從而避免了樁身質量的嚴重誤判.為慎重起見，在該樁樁頂至其以下13.0的范圍內進行了取芯驗證，并利用取芯孔進行了聲波透射法檢測.檢測結果表明，10.8m左右處無樁身缺陷.

4 樁周土阻力對波形的影響

由于樁周土對樁身中應力波的阻力作用，樁身應力波所到之處均激發出能引起樁身質點反向振動的土阻力波，應力波發生指數衰減，淺部樁周土阻力引起的上行壓力波還可導致首波出現寬緩的負向反沖信號.

由于樁周土阻力會導致應力波衰減，利用幅值進行缺陷測試深度會減小；同時樁身正常反射信號的接收會受到干擾，應力波衰減嚴重時可導致對樁身質量的誤判.

實踐表明，土層性質對樁中波傳播特性的影響很大，且不同的土層狀況對波形有不同的影響.較堅硬土層中存在軟弱土夾層時，波形曲線在軟弱土層位置會出現同向反射信號，容易得出缺陷的錯誤結論，軟弱土層中存在堅硬土夾層時，波形曲線在堅硬土層位置會出現反向反射信號.容易得出擴頸的錯誤結論.

圖5（a）為接樁位置在樁頂以下11m處時樁的檢測曲線.該樁樁底反射信號明顯，樁頂以下18m范圍內以硬塑粉質粘土為主，地基承載力達120kpa.由于在深度15左右處存在一厚度為1.5m左右的有機質豐富的淤泥質土，地基承載力僅為35kpa，因此在該樁樁頂以下的14.7m處出現明顯的正向反射，應是軟弱土層所致，而非樁身缺陷反射.

圖5（b）對應的樁，在施工深度范圍內土層總體以淤泥質軟土為主.但鉆孔資料顯示該處樁頂以下12-14m處存在一較硬的含礫砂層，該層土的地基承載力是上下土層承載力的5倍多，由于PHC管樁不可能存在阻抗明顯增大段，該樁樁頂以下13m左右處出現明顯的負向反射，一定是由軟弱土層中所夾的較堅硬土層造成的.

5 嵌巖樁樁底反射識別

嵌巖樁是指樁端嵌入基巖一定深度的大直徑灌注樁，它主要應用于特大橋、高層建筑、重型廠房等建筑物的基礎.由于嵌巖樁樁底持力層為基巖，基巖特性、風化狀況及樁底沉渣情況不同，嵌巖樁樁底反射與摩擦樁樁底反射相比較，常常具有更為復雜的信號特征.

5.1 無樁底反射

由應力波傳播原理可知，當樁底巖石的波阻抗相差不大時，即使樁較短，樁底反射也難以辨認.圖6（a）為赤峰某工程輕微嵌和微風化砂巖的人工挖孔樁的檢測曲線.由于樁底巖層堅硬，樁底無沉渣存在，該檢測曲線樁底反射不明顯.

5.2 同向型反射

當樁底為強度較低的砂頁巖或強風化巖石，或嵌巖深度小或未入巖，或樁底沉渣較厚時，樁底巖土層波阻抗可能明顯小于樁身混凝土的波阻抗，此時樁底反射類似于摩擦型樁的樁底反射.圖6（b）為赤峰某職業學校輕微進行強風化砂巖的人工挖孔檢測曲線.由于樁底巖石強度較低，該檢測曲線出現了明顯的同向樁底反射.

5.3 反向型反射

大多數情況下嵌巖樁入巖深度為1.5-3.0D（D為樁徑），當樁嵌入的巖層強度較混凝土高，或入巖深度較大，樁端嵌巖部分與基巖構成一體時（此時相當于樁的截面積變大，波阻抗突然增大），檢測曲線出現與入射波方向相反的樁底反射，如圖6（c）所示.

5.4 先負后正型反射

當入巖深度較大時，樁身應力波在基巖面會發生反向反射，同時透射波沿嵌入巖層中的樁身混凝土繼續向下傳播.若嵌入的巖層相對較軟或樁底沉渣較厚，則入嵌段樁身與樁底巖土層間會產生同向的樁底反射.圖6（d）赤峰某橋梁嵌入高強度流紋巖的鉆孔樁檢測曲線.從該曲線可以看出，該樁在約37m位置處入巖，反向反射明顯.但該樁與其他樁不同的是，樁底出現明顯的同向反射.分析結果表明，該同反射源自該樁過厚的樁底沉渣.這一結論與其后進行的鉆芯法檢測結果一致.鉆芯法檢測發現，該樁樁沉渣厚度超過50mm，大大超過設計要求.

6 結語

本文要椐據基樁完整性檢測現場對比試驗，給出了低應變反射波法檢測技術中常見的幾種典型檢測時域信號曲線的識別特征.實踐表明，盲區內淺部缺陷和長樁段擴頸現象在檢測曲線上均具有典型的反射信號特征，傳感器粘貼質量、樁周土中軟弱層夾層或堅硬土層夾層的組合類型以及嵌巖樁樁底巖土特性等，在時域檢測曲線上均會出現相應的反射信號.因此，只有正確認識這些反射信號的特征，才能保證基樁低應變反射波法的檢測效果.

〔1〕JGJ106-2003，建筑基樁檢測技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，203.

〔2〕林建生.樁基無損質量檢測中瞬態錘擊法時域曲線的分析與研究 [J].地震地磁觀測與研究，1993，14（3）：5-11.

〔3〕羅騏先.樁基工程檢測手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

〔4〕王輝鵬.反射波法在基樁完性檢測中的應用[J].工業建筑，2006，36（增刊）：817-819.

〔5〕卞國炎，張尤平，瞿陽.PIT儀測試樁基結構完整性的波形判讀方法 [J].合肥工業大學學報，2004，27（5）：617-621.

TU473.16

A

1673-260X（2010）05-0101-03