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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(guān)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(guān)資料。了解地質(zhì)條件、樁型、樁的設(shè)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(jié)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(yīng)范圍、有穩(wěn)定的傳感性能，傳感器的頻響特性應(yīng)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(yīng)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(yīng)選擇加速度傳感器或?qū)掝l帶的速度傳感器。

2)安裝。使用黃油、橡皮泥、牙膏等粘結(jié)材料，粘結(jié)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(jié)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(yīng)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(yīng)割掉。

使用不同的粘結(jié)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(jié)果的分析，黃油粘結(jié)效果則較好，牙膏次之。因此，在檢測過程中應(yīng)優(yōu)先選擇黃油作為粘結(jié)材料。

圖1 使用黃油粘結(jié)

圖2 使用牙膏粘結(jié)

圖3 使用橡皮泥粘結(jié)

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(dǎo)致的波形變化)。

圖4 傳感器安裝不緊貼導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)管中停留時間過長而卡管;導(dǎo)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(dǎo)管埋深淺、導(dǎo)管提升過猛使混凝土卡管、導(dǎo)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(jié)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(guān)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(shè)置適當?shù)姆糯蟊稊?shù)和放大起點(見圖7a))。b.濾波技術(shù)(見圖7b))。c.波形處理。采用去直流、積分、設(shè)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(yù)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(shè)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(yīng)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(jié)論。如樁身漸縮后突然恢復(fù)到原截面，則可能得出樁身存在擴頸的結(jié)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。