基桩桩身完整性检测中的影响因素浅析

基桩桩身完整性检测中的影响因素浅析

王鹏1 薛桂霞2

（1.桂林工学院资源与环境工程系， 桂林， 541004）

（2.九江学院土木工程与城市建设学院，九江，332005）

摘要： 本文简要介绍了反射波法的基本原理，并通过对基桩检测的多种影响因素的分析，提出了相应的注意事项及解决办法。

关键词：反射波法 桩身完整性 桩身缺陷 影响因素

Analyzing on the Influence Factors of Foundation Pile Integrity Detection

WANG Peng1 XUE Guixia2

（1. Department of Resources and Environmental Engineering of Guilin

university of Technology, Guilin 541004, China）

（2. Civil engineering and city construction academe of Jiujiang university，

Jiujiang，332005，China）

Abstract: This article introduces the basic principle of reflected wave method

in brief, and analyzes several influence factors in foundation pile detection, correspond to these influence factors, the article advances the attention proceeding and solving means.

Key words: Reflected Wave Method Pile Integrity Pile Defects Influence Factors

一、前言

伴随着社会主义市场经济的蓬勃发展，随着社会主义现代化建设的逐步深入，中国正在发生着翻天覆地的变化。万丈高楼平地起，各种基础设施，各种铁路、公路的建设，使得基础的重要性充分显示出来，其中，桩基础由于经济、承载力高、施工方便等诸多优点而得到广泛的应用，从而也带来了检测技术的进一步发展，这其中以高、低应变法，钻芯法和静载试验以及声波透射法最为普遍。

低应变反射波法源于应力波理论，基本原理是在桩顶进行竖向激振，使桩中产生应力波，弹性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗界面（如桩底、断裂或离析、夹泥等部位）或桩身截面积变化（如缩颈或扩径）部位，将产生反射波，利用特定的仪器设备经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算，来判断桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及其位置。

反射波法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置，它属于快速普查桩身质量的一种半直接方法，由于其具有检测速度快、费用低和检测覆盖面广的优点，它已成为基桩完整性检测中应用最为广泛的方法。

二、判定标准

在《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003（以下简称《规范》）中，桩身完整性定义为：反映桩身截面尺寸相对变化、桩身材料密实性和连续性的综合定性指标；桩身缺陷定义为：使桩身完整性恶化，在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、缩颈、夹泥（杂物）、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。注意，桩身完整性不是严格的定量指标，对不同的桩身完整性检测方法，具体的判定特征各异，但为了便于采用，应有一个统—的分类标准。所以，桩身完整性类别是按缺陷对桩身结构承载力的影响程度，统一划分为四类的：

Ⅰ类——桩身完整。

Ⅱ类——桩身有轻微缺陷．不会影响桩身结构承载力的发挥。

Ⅲ类——桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响。一般应采用其他方法验证其可用性，或根据具体情况进行设计复核或补强处理。

Ⅳ类——桩身存在严重缺陷，—般应进行补强处理。

三、影响因素分析

1、桩头处理

在现场信号采集工作中，桩头处理的好坏关系到测试是否能够成功的重要因素，也是测试前需要准备的关键性步骤。但在大多情况下，很多测试工作人员忽略了这一点，结果无论怎么改变传感器及其安装位置或激振方式，始终得不到理想的信号曲线。因此，桩头

应为达到设计标高的有效桩头，必须凿去表面浮浆，处理到有新鲜含骨料的混凝土为止，且桩头不能破碎，含水，不能有杂物，要尽量保证桩头干净，平整。

实心桩的处理：用磨具在距桩中心约2/3桩径且远离主筋处均匀分布打磨出3-4个与桩身轴线垂直的砼平面，用来安装传感器。再在桩中心打磨一平面用作激振点装点。空心桩的处理：激振点和传感器宜在同一平面内，且与桩中心连线形成的夹角宜为90º，激振点和传感器安装位置宜为桩臂厚的1/2处（见图1）。

图1 传感器安装点与激振点位置布设示意图

桩头出露的钢筋笼应以不影响敲击为准，并且高度应适中，因为当小锤敲击桩头时产生的激荡应力波易于在钢筋上产生振荡反射叠加于入射波中，从而影响浅部缺陷波形的识读。

2、传感器选择与安装

测振传感器是反射被动测中最基本的重要测试元件之一，它直接与被测桩相连接，将机械振动参量换成电信号，它的性能参数的好坏，直接影响到转换电信号的数据是否真实地反映桩本身的反射信息，因此它必须满足以下条件：

1)要有很宽的动态范围

2)要有宽的频率响应范围

3)要有少的失真度

4)要有稳定的传感器性能

5)要有较小的受非振动环境影响

传感器的安装对现场信号采集工作影响较大，理论上传感器越轻，越贴近桩面，与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，采集到的信号也越接近桩面的质点振动。

对于实心桩，传感器应布设在距桩中心约2/3桩径且远离钢筋笼主筋处，对于空心桩，传感器和激振点应在同一平面内，且与桩中心连线形成的夹角宜为90º，激振点和传感器安装位置宜为桩臂厚的1/2处。

《规范》规定：传感器的安装应与桩顶面垂直；用耦合剂粘结时，应具有足够的粘结强度。因此，为了使传感器与桩顶面接触的更为紧密，一般都采用耦合剂来粘结，常用的耦合剂有黄油（稠度高），凡士林，橡皮泥（弹性差油性少粘性强），石膏，牙膏，口香糖等。传感器用耦合剂粘好后，用手指轻弹传感器侧面，若传感器纹丝不动，则说明传感器已安装好，可以进行测试。

3、激振方式与激振点的选择

激振的目的是在桩头产生一个扰动，从而生成一个沿桩身传播的弹性应力波，而不同

频率的应力波沿桩身传播时，具有不同的衰减特性。定性来说，高频分量对细小界面、骨料等反应灵敏，但衰减较快；低频分量在小界面处易产生绕射，但衰减较慢，传播深度相对较大。因此，实际应用中常通过现场敲击试验，如改变手锤重量或激发棒的形状、材料硬度以及在桩头加不同材料的桩垫来达到产生不同频率成分的应力波的目的，以适应对桩浅部和深部缺陷的判断的需要。此外，由于桩顶锤击点产生的应力波实际上为球面波，当沿桩身传播到大于桩径的1.5倍后，方可认为波阵面曲率较小，近似为平面波；并且，激振后还引起沿桩顶水平方向传播的横波、表面波以及由于桩顶材料局部塑性变形、破碎，造成干扰性杂波成分，而这些成分往往幅度较强。以上干扰因素，可通过带通滤波改善传感器偶合、降低传感器横向灵敏度、选择适当阻尼系数的传感器，以及桩顶处理、调整激发方式来改善。在某些复杂情况下，可以用高频与低频相结合的方式获取基桩桩身的完整信号，即用低频脉冲波获取桩底反射，再用高频脉冲波检测桩身上部缺陷。

对于长大桩测试一般应选择能量大、脉冲宽、频率低的激振方式，如力棒、尼龙锤等，适用于桩底及深部缺陷的检测，但由此很容易带来浅部缺陷和微小缺陷的漏判，可以结合能量小、脉冲窄、频率高的激振方式来判定桩身浅部的缺陷和位置。

另外，敲击质量的高低将直接影响到测试结果的优劣，要由经验丰富的熟练工人来操作。敲击时锤要落到实处，干脆利索，锤击方向与桩顶平面垂直，避免二次冲击，达到产生瞬间激发点源，入射脉冲狭窄且符合半正弦规律。

4、信号采集

现场信号采集首先要进行仪器参数设置，主要包括采样间隔、采样点数、增益、模拟滤波、触发方式等。

根据桩径大小，围绕桩心沿被身对称布置2-4个检测点，每个检测点记录的有效信号数不宜少于3个，以便通过叠加平均提高信噪比。

应力波反射法所采集的较好波形应该是：

1)多次锤击的波形重复性好

2)波形真实反映桩的实际情况，完好桩桩底反射明显

3)波形光滑，不应含毛刺或振荡波形

4)波形最终回归基线

不同检测点及多次实测时域信号一致性较差时，应分析原因或产生零漂或信号幅值超过测量系统的量程时，应在检测现场及时研究，排除影响测试的不良因素后重新测试。

5、桩周土对波形曲线的影响

在对基桩进行低应变反射波法测试时，要充分考虑到桩周土对采集波形曲线的影响，当桩周土软土层变到硬土层时，采集的波形曲线就会在相应位置处产生类似扩径的反射波（见图2）； 而当桩周土由硬土层变到软土层时，采集到的波形曲线就会在相应位置产生类似缩颈的反射波（见图3）。

图2 桩周土对波形曲线的影响示意图（由软土层变到硬土层时）

图3 桩周土对波形曲线的影响示意图（由硬土层变到软土层时）

如不考虑桩周土对采集波形曲线的影响，不了解基桩所处的地质情况，很容易发生误判。因此，为更好地对桩的质量进行分析和判断，首先必须对测试工地的有关资料进行全面地收集和了解，其中包括收集工地的地质资料，查阅岩土的物理力学指标，弄清土层的分布和走向，特别要了解在基桩长度范围各地层的含水量、孔隙比、压缩模量、容重、内摩擦角、地基承载力以及侧摩阻力和端阻力的建议值。

6、滤波处理

滤波是波形分析处理的重要手段之一，是对采集的原始信号进行加工处理，它是为了将测试信号中无用的或次要成的波滤除掉，使波形更容易分析判断。在实际工作中，多采用低通滤波，而低通滤波频率上限的选择尤为重要，选择过低，容易掩盖浅部缺陷，选择过高，又起不到滤波的作用。

断裂、缩颈、离析、夹泥、空洞等是常见的缺陷，一般表现为反射波与入射波同相，但从时域曲线上严格区分这些缺陷有一定的难度，建议结合频域曲线、工程地质条件、施工情况进行判断。实际工作中如果无法准确判定缺陷性质，只要指出缺陷深度与程度提醒委托方注意即可，比轻易下结论更好。

7、对混凝土强度的评价

低应变反射波法测出的波速为整根桩的平均波速，其准确性依赖准确的桩长和桩底反射时间，波速与混凝土强度之间没有一一对应的关系，因此不能给出每一根桩对应的混凝土强度，但在知道桩的腔确长度的前提下，如果反射波时域曲线能准确确定桩底情况，则可以计算桩的平均波速，从而由平均波速来判断混凝土质量。我们可以根据同一工程所有测试桩波速的平均值来估计混凝土的强度等级。

总的来讲，混凝土的质量、强度与波速的关系是存在的，混凝土强度高，质量好，其波速也高，反之波速低。但这只是一种定性关系，因为影响波速(或声波速)的因素很多，如混旗土的性质、骨料种类、粒径大小、养护条件、龄期、钢筋含量及位置等都有关。如果事先对混凝土试件的波速与抗压强度进行过对比试验，可以根据实测波速推算混凝土强度，否则要慎重。

8、关于“盲区”

从应力波传播的角度看，实测中手锤对桩顶的敲击可视为点振源，敲击后产生一个半球面波，直到传播到一定深度，球面波才能近似看作平面波，满足平截面的假设。而在此深度之内，应力波传播很复杂，信号干扰严重，理论及实测表明“盲区”范围为测点以下1倍桩径D至1/2λ。低应变激振频率约在1000~4000Hz范围内，因此一般测点以下2m之内为反射波法测试的“盲区”。

由于“盲区”的存在，使基桩本身很浅的部分存在的缺陷被掩盖，所以应该尽量减少“盲区”对测试结果的影响，因此可在实测中通过改变手锤质量、接触面刚度，使用合适的传感器及检测参数，以减小“盲区”的范围，一般可检测到距离测点以下1m左右的较

严重的缺陷，再浅的缺陷只能凭经验推测，并且由于缺陷在桩头附近，可通过开挖进行验证。

四、结论与建议

由于桩身存在的各种缺陷（断裂、缩颈、离析、夹泥、空洞等）在时域曲线上表现的形式几乎相同，所以在判断一个桩的完整性的时候，应该结合多种资料进行综合判断，同时应该明确的是低应变法只能判断桩身结构的完整性，并不等同于说Ⅰ、Ⅱ类桩就是合格桩。笔者认为低应变测试结果中Ⅰ类桩应判断为桩身结构完整、Ⅱ类桩只能判断为基本完整桩，Ⅲ类桩为桩身完整性有缺陷桩，Ⅳ类桩应判为桩身结构不完整桩，比较切合实际，至于是否合格应综合其他方法（如钻芯法或静载试验等方法等）加以判断，以免出现误导。

另外，由于低应变法的理论基础是一维线弹性杆波动理论，因此对于桩身纵向缺陷的位置及缺陷程度，低应变反射波法是无法确定的。

参考文献：

1. 中国建筑科学研究院，《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003，中国建筑工业出版社，2003

2. 刘屠梅，赵竹占，吴慧明，《桩基检测技术与实例》，中国建筑工业出版社，2006

3. 罗骐先，《桩基工程检测手册》，人民交通出版社，2003

4. 蔡中民，《混凝土结构试验与检测技术》，机械工业出版社，2005

作者简介：王鹏，男，（1975－ ），黑龙江齐齐哈尔人，桂林工学院 资源与环境工程系在读硕士研究生 研究方向 地球物理的数据处理与解释

薛桂霞（1978—），女，河北省行唐县人，2004年毕业于中国地质大学（武汉）地球探测与信息技术专业，获硕士学位。主要从事地球物理数据处理与解释工作。

现九江学院土木与城建学院

联系方式：桂林工学院549#信箱 王鹏 邮编：541004

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