低应变反射波法波形曲线的分析及工程应用

　　摘要：介绍了低应变反射波法的原理，结合实际工程的应用，对桩身的各种缺陷所引起的波的变化特征进行了分析,比较了理论曲线与实测曲线的差异,并对基桩低应变完整性检测中要注意的事项进行分析和总结。同时指出,频域分析是时域分析的一种必要的、有益的补充,能够更好地指导现场测试,帮助选择更好的安装方法.
　　关键词：低应变;反射波法;基桩;完整性
　　1. 基本概念及检测原理
　　1.1 基本概念
　　应力波：当介质的某个地方突然受到一种扰动，这种扰动产生的变形会沿着介质由近及远传播开去，这种扰动传播的现象称为应力波。
　　波阻抗：
　　式中：：密度
　　C：应力波速
　　A：桩横截面积。
　　一维直杆：d<<L的杆件
　　振源：手锤锤击桩端面。点振源
　　传播介质：桩L远大于桩径。一维直杆
　　传播：应力波以锤击点为中心半球向外传播，当应力波传播至桩身一定距离S后（一般S>1D-2D），波振面才近似为平面。此时手锤锤击桩端认为是应力波在一维杆件中竖直方向传播
　　一维杆应力波波动方程
　　
　　
　　其物理意义就是应力波在桩身中的传播速度。
　　1.2 检测原理
　　利用应力波在桩中传播时，当桩身的波阻抗发生变化会产生反射的原理，通过分析反射波的幅值、相位、到达时间，得出桩缺陷的大小、性质、位置等信息，最终对桩基的完整性给予评价。
　　引起反射波的原因
　　桩底
　　截面发生变化
　　夹泥
　　离析
　　混凝土质量变化
　　土层变化
　　1）低应变所能检测到的现象：桩底反射；夹泥、空洞；断裂；离析；扩（缩）径；土层变化及材料变化。
　　2）低应变不能检测到的现象：渐细（粗）；弯曲；小缺陷及桩底沉渣。
　　3）低应变检测的优点
　　快速检测方法（60-200根/天）
　　准备简便
　　操作简单
　　经验丰富低应变检测的局限
　　不能提供单桩承载力
　　对小缺陷灵敏度不高
　　无法检测桩底沉渣
　　2. 桩身不同缺陷理论与实测波形分析
　　根据反射波法的原理，当桩身波阻抗(QcA)发生变化时，会产生反射波和透射波，其中反射波传回桩顶，被传感器接收。根据接收到的波形信号，可以分析桩身的完整性。现场检测时，常见的桩身缺陷类型主要有：扩径、缩径、断裂、离析、夹泥、胶结不良以及桩底浮渣较多等。
　　2.1 完整桩的波形曲线
　　当桩身完整时，仅存在唯一的反射界面，即桩底反射面，其理论曲线如图1所示。在条件较好的情况下，可以得到明显的桩底反射波。
　　图1
　　2.2 缺陷桩的波形曲线
　　分析缺陷桩信号相对完整桩要复杂些，有的信号的确是因施工质量缺陷产生的，但也有是因设计构造或成桩工艺本身局限导致的不连续面产生的，例如预制打入桩的接缝，灌注桩的逐渐扩径再缩回原桩径的变截面，底层硬夹层影响等。典型的缺陷桩波形曲线如图2所示。
　　图2
　　
　　2.3 工程实例
　　2.3.1昆明某工程：完整的预制管桩波形曲线（图3）
　　
　　
　　
　　2.3.1昆明某工程：有缺陷的预制管桩波形曲线（图4）
　　
　　
　　图4
　　3. 数据分析处理
　　动态测试与静态测试最大的区别在于动态测试包含了对多种频率成分的动态信号记录问题。在分析桩身完整性时，通常只利用了时域波形，通过对时域曲线的分析来判断桩身的完整性，而没有利用所测曲线的频谱特性，这实际上是浪费了一半的资源。事实上，频谱分析是研究动态测试系统频响问题的主要手段。研究波形曲线的频谱特性，可以更好地指导现场测试和对桩身完整性作出辅助性分析。同时，在选择传感器的安装方法时，利用频谱分析各自的安装谐振频率，然后选择谐振频率最高的安装方法是很有必要的，因为它将充分延拓系统的测试范围。
　　很多情况下，由于各种干扰成分的存在，时域里如不进行滤波处理则难以进行分析，这时滤波成为一种重要的手段，但有时候，滤波容易导致波形畸变以至影响分析判断；相反，在频域里，各种频率成分一目了然，只要对所用测试系统进行认真分析，极易排除干扰成分。当时域信号一致性较差或干扰太严重时，利用频域分析比较各信号的共同点(共振峰)，分析这些共振峰所对应的缺陷，然后再反过来在时域里进行验证，这是相当好的一个办法，有时候时域里难于发现桩底反射，频域里反而可以找到，时域里难于检测的浅部缺陷，频域里也较易发现。当然，频域分析只能成为时域分析的一个必不可少的补充，因为频域分析本身尚有许多不足之处，如缺陷性质难于确定，缺陷位置计算偏差较大以及对于同一缺陷引起的相邻共振峰难于识别等。这些影响了频域分析的效果，也是频域分析没有广泛应用起来的主要原因。不过，频域分析是时域分析的一种有效补充，这一点是不容置疑的[1]。
　　4. 现场检测中的注意事项
　　4.1. 激振问题
　　在基桩检测时，激起高质量的脉冲波是提高检测质量的关键，理论分析和多年的实践经验表明，激振技术是反射波法完整性检测的重要环节。在检测时，通常使用瞬态激振，最简单的方法是用手锤或力棒激振，其机理建立在碰撞理论上。当桩身较长或桩身砼连续性差时，用铁质或木质手锤激发很难识别桩底反射信号，其原因是铁质或木质手锤激发的信号频率较高，在桩身中传播时衰减较快，此时可以采用不同质量不同材质组成的力棒激振较易获得桩底反射信号。在检测时应注意，提高激振脉冲波的频率，可以提高分辨率，但容易衰减的高频波对长桩不易获得桩底反射，因此只能用频率较低的脉冲波来获取桩底反射，再用高频波来检测桩身上部的缺陷。
　　由实测的波形记录来看[2]，激振脉冲波的频率大约在300～1500Hz左右。不同的桩长和桩型，其激振的频率不一样，一般60m左右的摩擦桩或30m左右的摩擦端承桩，脉冲波的主频在300～500Hz左右；10～20m的短桩，脉冲波的主频在500～1000Hz左右；小于10m的短桩，脉冲波主频可高至1000～1500Hz。激振时另外一个要注意的问题是激振的能量要适中，并不是能量越大越好。对于硬地层，由于桩身内脉冲波能量扩散较多，其所需的激振能量应稍微大一些。此外，激振时要干脆、利索，不要拖泥带水，最好是由有经验的人专门激振，以使每次的激振波形基本一致，有利于对比分析。
　　4.2. 传感器与粘结剂的选择
　　传感器是基桩检测的“眼睛”，它的频响特性、阻尼大小、灵敏度和动态范围等对实测波形的影响非常大。反射波法对传感器有特殊的要求，由于传感器处于激振点附近，很强的激振信号要不畸变的接收下来，同时又要把传播几十米长距离后反射回来的波加以接收转换成电信号，因此传感器的量程范围和动态范围要足够宽，且要有较高的灵敏度。在强烈的激振下，其余振要短，这就要求它有良好的阻尼特性。在通常情况下，我们可以使用不同特性的传感器多测几组曲线，通过对比分析进一步提高分析精度。
　　在传感器性能较好的情况下，必须选择好粘结剂，使传感器与基桩得到较好的耦合。目前常用的粘结剂有石膏粉、橡皮泥、蛇皮膏、黄油等，此外，有些检测人员还使用咀嚼后的口香糖作为粘结剂。在这些粘结剂中，石膏粉粘结的耦合频率较高，而后几种的耦合频率较低。应该注意的是，当桩头较湿时，采用橡皮泥和蛇皮膏作为粘结剂其粘结的效果不是很好，此时最好用石膏粉。
　　4.3. 桩头的处理
　　灌注桩的桩头往往有一层浮浆，特别是人工挖孔灌注桩，由于桩头一般低于地面，成桩后经沉淀作用，会使桩身上部出现一层较厚的浮浆，这使得在用小锤激振时能量不够集中，发散较快，激振的脉冲波频较低，影响检测效果，因此在检测时必须将浮浆打掉，同时保持桩头平整。
　　此外，预制桩在贯入过程中桩头可能产生破损，灌注桩在破除浮浆时也可使桩头产生破碎，这将使弹性波能量快速衰减，严重时使激发的脉冲波不规则，严重影响检测效果，甚至造成误判现象。因此，我们在检测时要注意桩头情况。
　　4.4. 辅助资料的收集
　　在进行桩基检测时应该注意辅助资料的收集，结合辅助资料来分析桩身的缺陷类型。这些辅助资料包括岩土工程地质勘察报告、灌注桩的成孔工艺、成桩机具和工艺以及桩基施工记录等。根据这些辅助资料，可以分析可能出现哪些缺陷，甚至缺陷出现的部位。例如，对于人工挖孔灌注桩，不可能出现缩径，而桩底浮渣可能是这类桩的主要缺陷；对于振动沉管灌注桩，必须注意桩身上部的缺陷，这类桩极易出现缩径或断桩现象。在软地层与硬地层分界面处、预制桩的接头处可能会形成反射波等。如果传感器靠近钢筋安装，则钢筋会对检测波形产生影响。这些都是在进行桩基检测时必须注意的问题。
　　参考文献
　　[1]王雪峰,吴世明.基桩动测技术北京:科学出版社,2001.
　　[2]潘景龙.混凝土结构性能评定和探测.哈尔滨:黑龙江科技出版社,1993.

《低应变反射波法波形曲线的分析及工程应用》

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文章名称： 低应变反射波法波形曲线的分析及工程应用

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