淺談低應變反射波法結合聲波透射法或鉆芯法在基樁檢測的綜合運用分析

李強

摘 要：低應變反射波法檢測基樁完整性具有便捷、快速，并且成本較低等特點，在橋梁樁基無損檢測中占有一定比例。本文將介紹低應變反射波法的原理和通過三個工程實例講解低應變反射波法結合聲波透射法或者鉆芯法進行綜合應用分析，為工程檢測人員提供參考依據。

關鍵詞：橋梁工程;基樁檢測;低應變反射波法

中圖分類號：U443.154 文獻標識碼：B

0 引言

在橋梁工程施工中，樁基礎是十分重要的地下隱蔽工程，樁基礎施工工藝復雜，如果施工質量控制不當，則容易發生離析、夾泥、縮徑、斷樁等質量問題，進而影響橋梁結構整體施工質量和安全性，因此加強樁基檢測至關重要。在《廣東省公路工程基樁檢測工作實施意見》中，無損檢測的頻率為100%，低應變反射波法為無損檢測技術之一，其檢測頻率除特殊橋墩外，占到了50%。低應變反射波法檢測具有便捷、快速，并且成本較低等特點。但是低應變反射波法的局限性也是較明顯的，低應變無法檢測出基樁的多個缺陷，無樁底反射或者變截面樁無法檢測等，這些問題都無法單一的靠低應變法就能評定出樁的完整性，須結合其他方法進行檢測，綜合評定才行。本文將結合自己的工作經驗和工程實例探討低應變法結合聲波透射法或鉆芯法在基樁檢測的綜合分析。

1 聲波透射法檢測技術的基本原理

由于重點是講低應變反射波法結合聲波透射法或鉆芯法檢測樁基就行綜合分析，這里只是簡單的介紹一下聲波透射法和鉆芯法的基本原理，將重點介紹低應變反射波的原理。聲波透射法檢測技術的基本原理：在混凝土內，由超聲脈沖發射源激發高頻彈性脈沖，該脈沖波在砼內傳播過程中會有不同的波動特征，此波動特征由高精度的接收系統記錄。通過記錄超聲波不同高度、不同側面的波動特征，并經過處理分析就能判斷出檢測區內砼內部缺陷的大小、性質和空間位置，并對砼總體做出評價。檢測區內砼的密實度參數可根據超聲波的初始到達時間和波的頻率變化、能量衰減特征以及波形畸變程度等特性獲取。當砼內存在破損或者不連續界面時，超聲波到達缺陷面形成的波阻抗界面時，會產生波的反射和透射;當砼內存在孔洞、蜂窩、松散等嚴重缺陷時，將產生波的繞射和散射。聲能被衰減，穿透的聲波信號的聲時將會延長、波速和振幅因為衰減而降低、超聲波頻率特別是主頻率也因聲能衰減發生頻漂等一系列變化。超聲波透射法就是根據各項聲學參數特征值在混凝土中傳播的變化，判定樁身混凝土的完整性并能較準確地測定缺陷的位置和大小，以及初步判定缺陷的性質，為判定樁基混凝土質量等級提供理論支持[1]。檢測示意圖見圖1。

2 鉆芯法原理

鉆芯法原理：鉆芯檢測法屬于局部破損檢測法，鉆芯法是直接從樁身鉆取混凝土芯樣和鉆取一定深度的樁底巖土層芯樣進行狀態和強度檢驗的半破損現場檢測方法。通過該方法能夠判斷樁身的完整性、混凝土強度、樁基長度、樁底沉渣以及持力層的性狀能否達到設計。鉆芯法檢測樁基工程時，是通過對不同部位取樣進行整體分析評定的，容易出現漏判情況，該缺點也正是“以點代面”導致檢測中出現“盲區”同時該檢測會放大一些缺陷問題比如持力層的軟夾層問題或溶洞問題等，并且檢測細長樁時難以鉆穿樁身從而難以判斷樁基的質量問題[2]。但是跟其他檢測方法相比，可靠性和準確性相對較高，其檢測內容的特殊性也是其他方法不可替代的。

3 低應變反射波法原理

反射波法是建立在一維波動理論基礎上，將樁假設為一維彈性連續桿，在樁身頂部進行豎向激振產生彈性波，彈性波沿著樁身向下傳播，當樁身存在明顯差異的界面（如樁底、斷樁和嚴重離析等）或樁身截面積變化（如縮徑或擴徑）部位，波阻抗將發生變化，產生反射波，通過安裝在樁頂的傳感器接收反射信號，對接收的反射信號進行放大、濾波和數據處理，可以識別來自樁身不同部位的反射信息。利用波在樁體內傳播時縱波波速、樁長與反射時間之間的對應關系，通過對反射信息的分析計算，判斷樁身混凝土的完整性及根據平均波速校核樁的實際長度，判定樁身缺陷程度及位置。在反射波法分析中我們還要了解到波阻抗。波阻抗是樁身橫截面積、材料密度和彈性模量的函數。公式為，式中為樁的波阻抗（單位）;為樁的彈性波速（單位）;為樁的彈性模量（單位）;為樁的質量密度（單位）;為樁的聲特性阻抗或聲阻抗率（單位）;為樁身截面積（單位）。

應力波在樁中的傳播，當在樁施加瞬壓脈沖激勵時，將使樁身產生壓縮應力波并使樁中質點產生運動規定質點向下運動速度為正號、向上運動速度為負號，樁身受壓力為正號，受拉力為負號，當應力波傳到阻抗變化界面（）處時，將產生反射波和入射波，用腳標、、分別代表入射波、反射波、透射波，和分別為界面處質點振動速度和截面應力。根據界面處力平衡、速度連續條件和牛頓第三定律可得：;。根據動能守恒條件最終可得到下式：;;。

和分別稱為反射系數和透射系數，完全由兩種介質的波阻抗的比值決定，主要取決于材料的質量密度、 波速和截面積。由于這些參數的突變會引起波阻抗急劇變化，導致能量轉化而產生波的反射。因為和總是正值，所以透射系數也總為正值，即透射波和入射波相位總是相同的，反射系數的正負與的大小有關，結合樁的缺陷情況討論如下：（1）波阻抗近似不變：樁的質量和完整性都無變化，其示意圖如圖2（a）所示。此時， ，則，即幾乎無反射波，全部應力波幾乎都透射過界面傳至下段。（2）波阻抗減?。簶渡砜s徑、離析、斷裂、夾泥、疏松、裂縫、裂紋等，其示意圖如圖2（b）所示，下段的波阻抗變小，此時，，則，反射波和入射波同相。（3）波阻抗增大：樁身擴徑，下段的波阻抗變大，其示意圖如圖2（c）所示。此時，，則， 反射波與入射波反相。從上面分析也看出，低應變反射波法存在的不足之處即當樁身截面積是緩變型時或樁軸線傾斜、彎曲時均不產生反射波，樁底的波阻抗和樁端巖層的波阻抗相近時，就無法判定樁身質量。由于反射信號的到達時間與產生反射位置有關。因此，在一定條件下可求得波運行的平均波速和樁長，根據公式：可得：（1）假設已知確切的樁長如果樁底反射波明顯，則可由反射波到達時間計算平均波速：，在一定條件下，平均波速代表著樁身混凝土質量的好壞。（2）如果已知樁混凝土波速，則可求得樁長：。由于樁的混凝土波速受到許多因素的影響，因此現場每根樁的平均波速都不同。（3）知道波速和缺陷波反射的時間差，則樁身的缺陷位置為[3]。下表1是一維縱波波速與混凝土強度之間的關系表[4]。

4 相關工程實例的分析

4.1 工程實例一

上面講了三個基樁檢測原理，具體分析了低應變反射波法，闡述了遇到不同波阻抗反射波與入射波的方向變化。接下來，我將用三個工程案例來具體分析。廣東佛山某人行天橋工程樁基，工程概況為將原有的人行天橋拆掉新建一座人行天橋，業主想利用舊的基樁，但是又不知道舊橋的基樁完整性怎么樣。地質情況自上而下為：素填土已揭層厚0.5～5.6 m;礫質黏性土已揭層厚約0.8～6 m;細砂夾淤泥土揭露層厚0.6～4.2 m;強風化灰巖揭露層厚1.2～7.1 m;兩根樁的樁號為4#、2#，直徑為1.0 m，齡期已超過28 天，樁基類型為摩擦樁，樁長和樁身強度未知。依據規范要求，現場采集的信號不少于2個點。經低應變反射波法檢測，見圖3。4#樁的樁基類型為摩擦樁，反射波和入射波方向為同向，可以看出樁底信號還是比較明顯的，樁身沒有明顯的缺陷信號。2#樁也差不多，樁底信號明顯，樁身沒有明顯的缺陷信號?，F在的問題是不知道樁長和樁身強度，沒辦法定樁長和波速。缺少基本數據，單靠低應變是沒辦法檢測基樁完整性的。建議業主采用鉆芯法進行綜合判定。圖4為4#樁的芯樣，圖5為2#樁的芯樣。4#樁芯樣為：芯樣連續、完整、表面光滑、膠結較好，骨料分布均勻，芯樣呈長柱狀、斷口吻合。所取芯樣試件抗壓強度代表值為35.8 MPa，樁端砼與持力層接觸一般，樁底未見沉渣，巖性為細砂夾淤泥，灰色，夾少量粘粒和淤泥質;鉆芯檢測出的實際樁長為 11.03 m。2#樁芯樣為芯樣連續、完整、表面光滑、膠結較好，骨料分布基本均勻，芯樣呈長柱狀、斷口基本吻合。所取芯樣試件抗壓強度代表值為28.1 MPa，樁端砼與持力層接觸一般，樁底未見沉渣，巖性為細砂夾淤泥，灰色，夾少量粘粒和淤泥質;鉆芯檢測出的實際樁長為13.04 m。通過鉆芯我們知道樁身沒什么大缺陷，驗證了樁底的持力層和反射波法的樁底反射是比較相吻合的。樁長已知，則4#樁的波速為3 900 m/s，2#樁的波速為3 500 m/s，這個波速和鉆芯法的芯樣強度還是吻合的。因此，綜合低應變反射波法和鉆芯法兩個檢測，可以判定4#和2#樁都是I類樁。

4.2 工程實例二

廣東廣州增城某橋梁，工程概況為一座中小橋，地質情況：原地面到標高38.526 m為粉質粘土，標高38.526 m到標高31.506 m為礫質黏性土，標高31.026 m到標高20.526 m為全風化花崗巖，標高20.526 m到標高13.526 m中風化花崗巖。該樁的樁號為Z1-1，樁施工長度為24.2 m，其設計強度為C30，直徑為1.2 m，齡期已超過28天，樁基類型為嵌巖樁。依據規范要求，采集不少于3個信號。見圖6，該樁有明顯的同向反射信號。波速為4 300 m/s，樁身沒有明顯的缺陷信號。由于這根樁的樁基類型是嵌巖樁，樁底處出現同向信號，可能是未嵌巖或者是沉渣過大。然后現場詢問，得知施工工藝是旋挖鉆施工。初步判斷同向反射信號是樁底沉渣。由于低應變測不出沉渣的厚度，需要鉆芯法驗證，對這根樁就行鉆芯。見圖7，該樁樁身砼芯樣呈青灰色、連續、完整、膠結較好，表面較光滑、骨料分布均勻，芯樣呈長柱狀、斷口吻合。樁身無明顯缺陷和低應變檢測還是吻合的。所取芯樣試件抗壓強度代表值為45.6 MPa，也符合低應變波速4 300 m/s。也滿足混凝土設計強度等級要求（C30）。樁底沉渣平均厚度為137.5 mm，不滿足設計要求（≤50 mm）。樁持力層巖性為中風化片麻狀花崗巖，灰色，帶紅色色韻，巖芯呈短柱狀，局部塊狀，其工程地質性質與設計相符。從這個過程例子可以分析出，沉渣的強度遠小于混凝土的強度，所以反射波和入射波方向相同。但是低應變不能定量的分析出沉渣的厚度，只能大概知道是個缺陷，連缺陷類型都很難判斷，要結合設計樁型、成樁工藝、地質條件、施工情況等綜合分析[5]。所以想要進一步分析缺陷的類型和大小，就需要結合其他方法綜合判定。

4.3 工程實例三

這個工程實例是低應變反射波法和聲波透射法的綜合運用分析。廣東某高速工程樁基，工程概況為一座匝道橋，地質情況是原地面到標高36.35 m為粉質粘土，標高36.35 m到標高25.56 m為礫質黏性土，標高25.56 m到標高19.81 m為全風化花崗巖，該樁的樁號為14#-Z1，樁施工長度為23.7 m，其設計強度為C30，設計直徑為1.4 m，基樁類別為摩擦樁。依據規范要求，采集3個以上信號。見圖8，該樁樁底信號明顯，以第二個同向的信號為樁底，該樁的波速為3 800 m/s。樁身約15.6 m有個與入射波同向的反射波，根據波阻抗判斷，該部位可能存在離析松散的狀況。但是波峰不是特別大，說明缺陷不是特別大。為全面的分析缺陷，對該樁進行聲波透射法檢測，檢測結果也比較相吻合。見圖9，聲波透射法檢測結果：在1-2剖面和2-3剖面約17.0～17.5 m聲速和波幅輕微偏低，存在著離析松散的現象。從這個工程例子可以看出，兩種方法檢測出的缺陷位置有些差異。這是由于兩種方法波的類型、固體介質和邊界條件不一樣導致的。綜合分析的話，一般以聲波透射法的缺陷位置比較準確些。

5 結語

通過上面三個工程項目的討論分析，用低應變反射波法分析樁身完整性時，雖然有便捷、快速等特點，但是低應變反射波法的缺陷也是比較明顯的，稍不注意就容易出現誤判。在現場檢測中應該多積累經驗，有時單靠一種方法是沒有辦法進行基樁完整性判定，需要結合聲波透射法或者鉆芯法進行綜合分析，才能準確的分析出樁的完整性類別。在實際操作中有時遇到委托方不是很理解，明明委托的是低應變反射波法檢測，為什么還要做聲測或者鉆芯。這就需要我們檢測人員耐心的跟委托方解釋，低應變法固有的局限性，同時也盡量用成本小的聲波透射法進行綜合分析。

參考文獻：

[1]趙雪.淺談應用聲波透射法進行灌注樁檢測[J].山西交通科技，2006（5）：53-55.

[2]林世聰.單樁低應變法與鉆芯法檢測結果比較分析[J].技術研發，2012（10）：80-81.

[3]公路工程基樁動測技術規程：JTG/T 3512-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[4]楊永波.地基基礎工程檢測技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[5]建筑地基基礎檢測規范：DBJ/T-15-60-2019[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.