低應變反射波法在工程中的應用

孫濤

（沈陽中冶檢測工程有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 樁基質量測試手段的發展概述

最早采用的測試樁基質量方法只有靜載荷試驗，隨著建筑物形態不斷復雜化，基礎形式也愈加豐富，特別是樁基礎發展更為迅速。工程所需的基樁數量越來越龐大，工藝形式越來越多，對于大量的樁基基礎，僅憑隨機抽選數量極少的樁基進行靜載試驗很難控制整個樁基工程質量。各國都在尋求能夠控制基樁質量的簡易方法與手段。隨著電子工業特別是計算機科技的高速發展，波動理論也快速發展，根據波動理論而衍生出的測樁方法逐步成熟起來。從20 世紀80 年代，利用波動技術的動力測試方法在我國得到大力發展與普遍應用，低應變反射波法也因其經濟高效，逐漸形成成熟的測試樁身完整性的主流方法。除此之外，也是基于波的理論發展而來的高應變法，可測試大直徑超長混凝土灌注樁的聲波透射法，利用鉆探技術檢測樁身質量的鉆芯法等技術，都大量應用檢查樁基礎質量檢測中。

2 低應變反射波法基本原理

2.1 波動方程

2.2 波阻抗

波阻抗的引入，所得到三個重要結論，是低應變反射波法進行基樁完整性檢測的重要理論依據。低應變反射波法主要是通過反射波所帶來的信息判斷基樁質量。

3 低應變反射波法所用的儀器設備

3.1 激振設備

目前工程所常用的激振設備為手錘或力棒。激振設備的選擇應根據場地基樁的實際情況而定。一般認為高頻波分辨率高，可獲得淺部缺陷，但易衰減，對于長樁往往不易接收到樁底反射；低頻波雖可獲得長樁的樁底反射，但分辨率差，容易忽略淺部缺陷。我們可通過增加激發能量，使應力波衰減變慢，在測試時可嘗試不同重量及面積的激振設備以求達到最好效果。對于高頻波與低頻波，需理解脈寬與所激發信號的關系，激振源所激發出的信號并非是單一信號，不同設備所產生的脈寬不同，帶來的信號成分也不同，脈寬越窄，高頻成分越豐富，脈寬越大，所產生的低頻成分就越豐富。

3.2 傳感器

有速度傳感器和加速度傳感器兩類。因加速度傳感器靈敏度高，頻率范圍寬，穩定性好，推薦使用。

3.3 基樁動測儀

國內動測儀器種類繁多，配套設備完善，現場操作方便。在國內常見的動測儀還有美國的PIT 系列，造價較高，性價比一般。

4 低應變反射波法現場操作要點

信號采集工作可以說是低應變反射波法最重要的部分。采集工作不規范，在數據處理階段會引起誤判，進而影響工程進度，造成經濟損失。

4.1 樁頭處理

低應變反射波法是通過在樁頂施加瞬態能量，采集入射波及反射波信號，判斷樁身完整性，那么樁頭的處理極為重要。首先灌注樁樁頭要去除浮漿、積水、泥渣或者破損部分，露出新鮮的混凝土作業面，在樁心及距樁心2/3 樁半徑處打磨四點，以供測試使用。對于管樁，可觀察法蘭盤與樁身混凝土結合程度，如已分離，應去除法蘭盤，鋸平樁頭，無法蘭盤的破損樁頭也應鋸平后再進行測試。低應變測試應在未實施鋪設褥墊層之前，已鋪設褥墊層的需要把基樁與褥墊層斷開，避免測試信號出現異常。

4.2 傳感器的安裝與激發

傳感器應使用耦合劑與測試基樁混凝土表面緊密連接，耦合劑不宜使用過多，防止出現耦合劑夾層。測試時，激振點與傳感器安裝點都應遠離鋼筋籠，避免因主筋振動而產生干擾信號。混凝土樁可在樁心激發，四周接收，而對于管樁，要求激發點與傳感器安裝點成90°夾角。可通過多次測試一根或幾根樁選擇合適的激振設備，對于中小直徑灌注樁，同一根樁不同位置的波型重復性應較好，大直徑灌注樁應多選擇幾點進行測試。

4.3 現場識別

在進行測試前，應了解現場基樁施工情況，特別是在施工過程中是否存在異常情況，對施工異常的基樁應重點測試。采集過程中所發現異常應逐步排查，具體可檢查儀器參數是否正確，傳感器與動測儀否連接，傳感器與基樁是否連接，測試基樁樁頭是否處理完畢，激振操作是否規范，排查完畢后應加點復測，仍為異常反應的，應通知現場暫緩施工，及時處理數據，并采用其他手段，進一步查明原因。

5 低應變反射波法工程實例

5.1 某工程，基樁樁徑為500mm，砼強度C40，通長配筋，有效樁長14.43m。工程樁破至設計樁頂標高后采用低應變法測試基樁完整性，低應變法時域曲線見圖1。

圖1 測試曲線1

分析：此樁樁底反射明顯，曲線清晰，無異常，按樁長確定波速為3860m/s，波速范圍正常。

5.2 某工程采用沖孔灌注樁，持力層為中風化凝灰巖，樁徑為650mm，砼強度C40，通長配筋，有效樁長7.5m。工程樁破至設計樁頂標高后采用低應變法測試基樁完整性，低應變法時域曲線見圖2a。

圖2a 測試曲線2

分析：此樁樁底反射明顯，曲線清晰，但對嵌巖樁來說，樁身波阻抗一般接近或小于巖體的波阻抗，曲線樁底反射不明顯或表現為反射波與入射波異向。c40 混凝土波速參考范圍為3900-4100m/s，假定此基樁波速為4000m/s，按施工記錄提供樁長計算樁底起跳時間約為3.75ms，而測試曲線起跳點時間約為3.36ms，反算此起跳位置約在6.7m，結合其他資料，判斷此樁為異常樁。建議其采用鉆芯法驗證樁端嵌巖情況。經鉆芯法驗證，此樁混凝土段長度為7.56m，樁端嵌巖較好，樁身于6.03-6.11m處發現離析層，見圖2b。

圖2b 鉆芯取樣2

5.3 某工程采用沖孔灌注樁，持力層為中風化凝灰巖，樁徑為650mm，砼強度C40，通長配筋，有效樁長14m。工程樁破至設計樁頂標高后采用低應變法測試基樁完整性，低應變法時域曲線見圖3a。

圖3a 測試曲線3

分析：此樁樁底反射明顯，曲線清晰，但對嵌巖樁來說，樁身波阻抗一般接近或小于巖體的波阻抗，曲線樁底反射不明顯或表現為反射波與入射波異向。c40 混凝土波速參考范圍為3900-4100m/s，假定此基樁波速為4000m/s。按施工記錄提供樁長計算樁底起跳時間約為7ms，測試曲線起跳點時間約為5.94ms，反算此位置約在11.88m，結合場地其他資料判斷此樁為異常樁，建議采用鉆芯法驗證樁端嵌巖情況。經鉆芯法驗證，此樁混凝土段長度為12.1m，下部為含粘土碎石，至17.8 米為中風化凝灰巖，見圖3b。

圖3b 鉆芯取樣3

5.4 案例2，3 同場地工程樁，有效樁長10.5m，測試曲線見圖4。

圖4 測試曲線4

分析：此樁無明顯樁底反射，按波速為4000m/s 計算樁底起跳時間約為5.25ms，曲線形態較好，無其他異常。

5.5 某工程樁徑為1000mm，砼強度C40，有效樁長14m，工程樁破至設計樁頂標高后采用低應變法測試基樁完整性，低應變法時域曲線見圖5a。

圖5a 測試曲線5

分析：此曲線為明顯異常曲線，第一處尖銳起跳為0.42ms，超過激振起跳，第二處起跳為1.68ms，第三處為3.3ms，第四處為5.18ms，最后一處為6.92ms。經了解，該處地質條件復雜，施工超方嚴重。此樁進行開挖驗證，樁頭處測量樁徑為1.10 米，下部0.20 米處即開始漸縮，測量最大回縮處，回縮0.08 米，大于設計樁徑，后樁徑漸擴，基樁表面不光滑，多處混凝土凸塊，基樁挖至3.50 米，未見其他異常，見圖5b-5d，驗證此樁為可用樁無需處理。此樁測試曲線由于頂部異常，已無法測試到樁底反射，其后繼信號大部分為頂部異常信號的多次反射。

圖5b 開挖驗證樁徑

圖5c 開挖驗證樁頭

圖5d 開挖驗證至3.5m

5.6 某工程樁徑為1000mm，砼強度C30，有效樁長34m，工程樁破至設計樁頂標高后采用低應變法測試基樁完整性，低應變法時域曲線見圖6a。

圖6a 測試曲線6

分析：此樁無明顯樁底反射，在4.6ms 處有一明顯起跳，判斷為異常樁，進行開挖驗證。第一次挖至五米，基坑坍塌至3.5米，樁頭處測量樁徑為1.06 米，基樁一側，混凝土凸起較多，表面不光滑，樁頭起算，0 米至1.5 米處基樁樁徑漸擴，1.5 米處回縮，回縮樁徑明顯大于設計樁徑，于3.4 米處基樁二次擴徑，基樁挖至3.5 米未見其他異常。基樁第二次挖至6 米，未坍塌，下部偶有混凝土凸起，未見其他異常，見圖6b，最終判定為可用樁，無需處理。

圖6b 開挖驗證至6 米

5.7 某工程樁徑為1000mm，砼強度C30，有效樁長28m，工程樁破至設計樁頂標高后采用低應變法測試基樁完整性，低應變法時域曲線見圖7a。

圖7a 測試曲線7

分析：此樁無明顯樁底反射，在2.8ms 處有一尖銳起跳，在4.15ms 為第二處正向起跳，判斷為異常樁，進行取芯驗證。取芯深度為4.5m，所取芯樣連續、完整、表面光滑、膠結好，未見異常，表明籠內砼完好，判斷異常不是砼離析產生的，見圖7b，此樁判為可用樁，無需處理，但仍然給出縮徑結論。

圖7b 取樣圖片

5.8 某工程樁徑為1000mm，砼強度C30，有效樁長27m，工程樁破至設計樁頂標高后采用低應變法測試基樁完整性，低應變法時域曲線見圖8a。

圖8a 測試曲線8

分析：此樁無明顯樁底反射，在3ms 及4ms 處有兩處正向起跳，判斷為異常樁，進行開挖驗證。開挖后，基樁0.2 米處即有局部擴大，1.4 米處第一次擴徑，回縮后樁身樁徑明顯大于設計樁徑，2.5 米處第二次擴徑，基樁挖至4.1 米，未見其他異常，見圖8b，判定此樁為可用樁，無需處理。

圖8b 開挖驗證

6 低應變反射波法問題與研究方向

受理論局限，有些樁實際是不適合進低應變法測試，比如長樁，異形樁，甚至長徑比過小的樁。但出于經濟考慮，非異形樁絕大多數還是首選低應變法測試。這就需要技術人員有過硬的理論及豐富的實踐經驗，特別是對于異常樁所產生的信號應結合驗證進行積累。對于發現問題的基樁應及時反饋，抓緊論證，避免耽誤工程生產。低應變法所采集信號能確定的僅是信號的時間，一般根據施工單位提供的樁長，比對砼波速度。對于異常波形，其曲線往往體現于信號的起跳，一般類似于樁底反射，因而此時所確定的波速是明顯高的。對于砼標號對應波速，雖有研究，甚至某些規程給出具體數值，但筆者認為其應僅供參考，當現場所采集的曲線樁底反射明顯，雖偏離常見的數值區間，但絕大多數基樁反映一致時，不應教條執行。對于長樁的低應變測試，在調整激發設備的同時，還可采用調整儀器參數，由短及長進行測試，可避免上部找不著，下部看不著，而錯過問題樁的發現。對于空心管樁的低應變測試，仍然需要不斷探索，本文實例部分均為混凝土灌注樁，我們看到對于大多數樁低應變法還是高效的。但近些年對于低應變反射波法的理論依舊停留在應力波在桿內的傳播規律研究上，而實際由儀器所采集的反射波所能帶來的信息效率不高，特別是樁周土體系對于應力波的影響究竟是什么樣的依然無法得知。

同時低應變測試目前應用范圍還僅是樁基礎完整性測試，以波動理論為基礎工程應用是十分廣泛的，作為其中的一種方法，能否擴展應用范圍，是未來研究的方向。

7 結論

基樁工程作為地下隱蔽工程，想探尋一種簡單有效的方法進行質量控制任重道遠。低應變反射波法在近幾十年的快速發展中，因其高性價比，已經成為必要測試手段。但其對于工程中所遇到的問題，低應變法還不能全面給出定性答案，有時對于異常的判斷還是基于經驗，特別是異常部位對工程安全的影響程度，還需要進行其他手段進一步查明。作為基樁測試人員，不能盲目自信，急于做出結論。