第2章 桥梁桩基完整性检测方法与技术

2.1 低应变反射波法

反射波法就是对桩基的桩顶施加一个人为的压力波，该压力波将沿着桩体本身从桩顶传递到桩底，如果桩身的某一部分混凝土介质发生质的变化时，由于混凝土中夹杂着泥浆、空气等有害介质将产生较大的阻抗比，该应力波将无法完全穿透混凝土介质，进而应力波将部分在发生质变的界面产生绕射、折射、反射等造成应力波能量散失，对这些应力波信号进行收集、记录，并确定其参数，根据这些获得参数来判断桩基是否存在问题。低应变反射波法具有简便、快速、经济等特点，是目前应用最广泛的一种桥梁桩基完整性检测方法。

2.1.1 基本原理

根据一维波动理论，桩顶部受到一锤击作用力，产生的振动波在桩身中以波速c向桩底传播，如果桩身阻抗发生变化，振动波的传播规则就像波在不同截面杆中传播。如图2.1.1所示下标i、r、t分别表示入射波、反射波与透射波，根据式（2.1.1）、式（2.1.2），可以算出数反射波系数R_r、透射波系数R_t。

只有下行波P₁通过变截面时：

只有上行波P₂通过变截面时：

图2.1.1 入射波、反射波与透射波示意图

得出

式中 Z——阻抗；

n——阻抗比；

ρ、A——桩的密度与截面积；

c——波速。

由式（2.1.3）可知：

1）当n=l时，R_r=0，说明桩身没有阻抗不同或截面不同的材料，没有反射波的存在。

2）当n>1时，Z₁>Z₂，R_r>0，反射波和入射波符号相同。说明桩身是由高阻抗高强度材料进入低阻抗低硬度材料或由大截面进入小截面。

3）当n<l时，Z₁<Z₂，R_r<0，反射波和入射波符号相反。说明桩身是由低阻抗低硬度材料进人高阻抗抗高强度材料或由小截面进入大截面。

以上3种情况的论述表明，按照反射波和入射波的变化关系，可以判别桩身波阻抗的性质，这是低应变反射波动测法判别桩身完整性的依据。

2.1.2 检测技术及方法

（1）桩头处理。

清除桩顶浮浆及未胶结好的混凝土，使桩头露出混凝土的上面，并使桩顶面光滑平整，必要时使用砂轮机磨平，不要使用水泥砂浆打平，防止水泥凝固不好引起误判。以上工作都应该以不破坏桩头平整性为基础，因为如果桩头受损会造成测试时出现较多的子波干扰，引起信号的复杂化，给正确判断桩身质量增加困难，如图2.1.2所示。

图2.1.2 现场桩头处理图

（2）测设参数。

根据相关规范，设备的试验参数应满足如下规定：

1）记录的时间段长度应在2L/c时刻后延续大于5ms；频幅信号分析的频率范围上限要大于2000Hz。

2）设定桩长应为桩顶部观测位置到桩底部的施工的实际桩长，设定桩身截面积应该为施工截面积。

3）桩身波的传播速度可按照该地区一样类型桩的实验值初步设定。

4）收集信号时间间隔或采样频率应根据桩长、桩身波传播速度和频域分辨率合理选择；时域信号收集点数不应该少于1024点。

5）传感器的设定值需要按照计量检定结果设置。

（3）传感器的选择与安装。

测振传感器是低应变动测中最基本的必不可少试验部件之一，传感器直接与试验桩相连接，将机械振动参数转换为电信号，传感器的性能参量的优劣，直接关系到转为电信号的数据是否客观地反映桩本身的反射信号，因此它必须满足以下条件：

1）较宽的动态范围。

2）较宽的频率响应范围。

3）较小的失真度。

4）需要稳定的传感器性能。

5）需要有较小的受非振动环境影响。

传感器的频率响应特性应能满足不同测试对象、不同测试目的的需要。当检测长桩的桩端反射信号或下部缺陷时，应采用低频性能好的传感器，当检测短桩或桩的浅部缺陷时，应采用加速度器或宽频带的速度传感器。

传感器装置采用化学黏结剂或石青等黏结，黏结层应该尽量薄；必要时可使用冲击钻打孔的安装方法，但传感器应与桩顶面紧密连接。安装时须要使传感器与桩顶面垂直。

图2.1.3 传感器安装点及锤击点布置示意图

●—激振锤击点；○—传感器安装点

有关研究表明，应在距桩截面中心大约2/3半径处安装传感器，如图2.1.3所示，此处从周边反射回来的应力波与由圆心外散出的应力波发生的叠加效果最弱，干扰相对最小。

（4）激振。

1）激振点：应该选择桩顶面中心部位。

2）激振方式：应通过现场敲击试验，采用合适重量的激振力锤和锤垫，应该用宽脉冲取得桩底或桩下部缺陷反射信号，应该用窄脉冲取得桩身上部缺陷反射信号。

3）激振点与传感器应远离钢筋笼的主筋，以减少外露钢筋对测试信号产生的干扰信号。

（5）信号采集。

根据桩尺寸大小，围绕桩基中心沿桩身对称布设二到4个检测点，当桩的半径小于0.5m时检测桩的测点数不应该少于2个，桩径超过1m时检测桩的测点数不应该少于4个，并且每个测点收集到的有用信号不宜少于3个，为了采用叠加平均提升信噪比。需要检查所测到信号的一致性，分析判别能否表示桩身完整性，如果不能提升信噪比就应增加检测点数。

2.1.3 桩身完整性的判定与分析

（1）桩身波速平均值的确定，应符合下列规定：

当桩长已知、桩底反射信号明确时，应在地基条件、桩型、成桩工艺相同的基桩中，选取不少于5根I类桩的桩身波速值，按下列公式计算其平均值：

式中 c_m——桩身波速的平均值，m/s；

c_i——第i根受检桩的桩身波速值，m/s，且|c_i-c_m|/c_m不宜大于5%；

L——测点下桩长，m；

ΔT——速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差，ms；

Δf——幅频曲线上桩底相邻谐振峰间的频差，Hz；

n——参加波速平均值计算的基桩数量，n≥5。

（2）桩身缺陷位置应按下列公式计算：

式中 x——桩身缺陷至传感器安装点的距离，m；

Δt_x——速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差，ms；

c——受检桩的桩身波速，m/s，无法确定时可用桩身波速的平均值替代；

Δf′——幅频信号曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差，Hz。

（3）桩身完整性判定。

桩身完整性类别应结合缺陷出现的深度、测试信号衰减特征以及设计桩型、成桩工艺、地基条件、施工情况和时域信号特征或幅频信号特征进行综合分析判定（见表2.1.1）。

2.1.4 低应变反射波法的特点

低应变反射波法测桩的优点如下：

（1）检测操作简便、效率高、检测时间短、经济、对工期影响极小，而且在需要时可以全部检测。

（2）可以在混凝土强度不足时进行检测，及时发现缺陷。

（3）能检测出较显著的桩身缺陷及桩长不符，并且能够较为准确地确定缺陷位置及程度。

缺点及局限性如下：

（1）如果两缺陷相近或有多个缺陷时，很难检测出在桩身的深度缺陷。

（2）桩身阻抗发生渐变的缺陷很难检测判断。

（3）无法检测桩身竖向的裂缝，也不能准确判定桩底沉渣的情况。

（4）详细的场地地质及施工记录、或施工记录不准确时，很难判断桩身的缺陷性质。

（5）不能准确地根据平均波速推断桩身混凝土强度。

（6）对检测施工人员的专业技术要求很高，因为在最后的数据分析判断方面，主要还是依靠检测技术人员的经验和专业技能。