浅谈低应变反射波法检测中地质条件对波形的影响

浅谈低应变反射波法检测中地质条件对波形的影响
发布时间：2022-08-28T07:51:16.081Z 来源：《科技新时代》2022年第1月第2期作者：高磊
[导读] 随着我国经济的不断增长和基础建设的快速发展
高磊
同纳检测认证集团有限公司上海 200331
摘要：随着我国经济的不断增长和基础建设的快速发展，高速铁路、高速公路、大型桥梁、城市轨道交通等工程不断兴修，基桩作为主要的基础形式而被广泛应用。

桩基基础属于隐蔽性工程，工程结构的长期稳定及质量安全与桩基础密切相关，为了保证桩基础的可靠性及安全性，桩身完整性检测桩基质量有着至关重要的意义。

目前，基桩桩身完整性的常规检测方法有很多种，其中低应变反射波法以其检测仪器轻便、费用低廉、操作简单快捷等不可替代的优点而被广泛应用。

但低应变检测中对波形的影响因素很多，尤其对于混凝土灌注桩而言，地质条件复杂会对实测波形产生较大影响，且低应变检测结果具有多解的特性，若检测分析中忽略地质条件对波形的影响，很大程度上会降低低应变检测的准确性。

因此，本文从低应变反射波法理论出发，结合工程实例，浅析地质条件对低应变反射曲线的影响，为低应变检测分析提供一定的指导。

关键词：低应变反射波法；桩身完整性；地质条件
引言：为了使铁路工程基桩检测的方法统一，检测技术水平提高，确保铁路工程基桩质量，为铁路工程基桩施工提供必要的技术支撑，经国家铁路局批准，2019年04月18日发布了《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218-2019）（自2019年08月01日开始实施），用于铁路工程基桩的承载力检测和桩身结构完整性的检测与评定。

低应变反射波法是铁路工程桩基质量检测中最常用的检测方法之一，以检测桩身缺陷及缺陷位置为目的，根据缺陷类型及程度判定桩身结构完整性类别。

实践表明，地质条件是影响低应变反射波形特征的一个重要因素，地质的变化使得检测采集到的波形差异较大，但往往由于检测分析人员不重视地质条件对检测波形的影响，单纯的从低应变反射曲线去分析判定，将基桩视为一个独立体，不能客观准确的判定桩身结构完整性类别。

一、低应变反射波法的基本原理
应力波理论是低应变反射波法检测基本原理的来源。

即假定桩基础是一维弹性杆件模型。

其原理是在桩顶进行竖向激励，在桩内产生应力波，从桩顶沿桩体向下传播，当桩身横截面面积发生显著变化或桩身中存在明显的波阻抗差异界面，这个时候，就会产生反射波。

利用专用的检测仪器设备对信号进行收集处理之后，就可以识别桩体不同部位产生不同性质的反射信息。

通过对实测桩顶部加速度或速度时程曲线的时域、频域特征分析，来判断桩身结构完整性、桩身缺陷位置及其影响程度。

二、低应变反射波法的适用范围、局限性及应用
根据《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218-2019）的规定，低应变反射波法适用于检测混凝土桩桩身缺陷位置和程度，判定桩身结构完整性类别；检测的基桩桩径应小于2.0m，桩长宜小于等于40.0m，当工程现场组织试验检测时，桩长的标准可根据现场试验检测数据确定；对桩身截面多变或变化幅度较大的灌注桩，低应变反射波法检测结果的有效性应采用其他方法辅助分析验证。

根据一维理论要求，低应变反射波法适用于检测规则截面混凝土桩；对挤扩支盘灌注桩、混凝土竹节桩、和类似于H型钢桩的异形桩，低应变反射波法不适用；对于不同类型的缺陷，低应变测试信号主要反映的信息是桩身波阻抗相对增大或相对减小，可以区分桩身截面面积变小与桩身截面面积变大，桩身缺陷的位置也是可以计算出来的，但是桩身缺陷的性质和方位确定不了。

此外，由于桩的尺寸效应、测试系统的幅频相频响应、高频波的弥散、测试误差以及桩侧土阻力和桩身阻尼耦合影响因素的存在，导致测量波形失真，应根据试验检测经验，结合地质条件、施工条件等补充资料，通过综合分析判断，进一步确定缺陷性质。

通过改变激振设备重量和材质，可以起到改变入射波的频率成分和脉冲宽度的作用。

当冲击力相同，锤刚度小，重量大，入射波脉冲宽，低频分量多，其激发能量较大，弹性波衰减较慢，可以用于检测较长桩深部缺陷反射信号或桩底反射信号；锤刚度大，重量小，入射波脉冲窄，高频分量多，激振能量较小，弹性波衰减较快，可以用于检测桩身浅部缺陷。

但是有些桩长和直径的比值达到一定程度的桩基、桩身浅部测试盲区和微小的缺陷，低应变检测方法不能准确检测。

频率高的信号不容易向下传播，检测范畴有限，频率低的信号分辨率达不到，就容易导致缺陷的漏判。

若桩身有不止一个缺陷，弹性波穿过缺陷时会快速严重衰减，就会容易导致漏判深部的缺陷。

如果第一个缺陷在桩身浅部时，还可以通过直接开挖以后截掉缺陷及以上部位的混凝土后再进行第一缺陷以下部位的完整性检测，如果桩身第一个缺陷在桩的深部，没有办法开挖截除，那么只能通过其它检测方法进一步检测验证。

三、工程实例及分析
某高速铁路项目，桥梁基桩检测，该承台基桩是采用旋挖钻施工的钻孔灌注桩，桩型为柱桩，设计桩长15米，设计桩径1250mm，设计
混凝土强度C40，根据设计及规范要求采用低应变反射波法对其进行检测，该承台7号桩实测低应变曲线波形如下图所示：从芯样图片可以看出，两钻孔混凝土芯样连续、完整、表面光滑、胶结好、骨料分布均匀、呈长柱状，断口吻合，仅见少量气孔[1]，
桩底嵌岩效果好，桩底无沉渣等异常情况，符合《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218-2019）中“表10.6.2桩身完整性分类表”中“Ⅰ类桩”的“混凝土芯样特征”。

为进一步加强检测结果的准确性和说服力，保证工程质量，降低工程风险，利用钻芯孔作为声测通道，采用超声波透射法对该桩进行了检测，结果显示检测剖面各声学参数均无异常。

结合地质勘查资料、施工资料、钻孔取芯结果以及超声波透射法检测结果，分析该桩5m处同向反射波为岩层变化引起，并不是缺陷反射波。

实践表明，桩中应力波受不同土层性质的影响区别较大，当桩侧土层存在软硬交界面时会形成强波阻抗界面，较坚硬土层中存在软弱土夹层时，反射曲线就会在交界面对应位置上产生类似于缺陷的同向反射波。

该桩为嵌岩桩，桩底嵌入持力层，若桩身混凝土强度与持力层强度相差不大或大于持力层强度，阻抗界面的差异就小，桩底反射就不明显或出现同向反射，该桩桩底类似于沉渣的同向反射波，便是由于桩身应力波传入砂岩岩层引起的，该结论与施工钻孔地质柱图显示地质情况基本吻合。

综合上述分析判定，该桩为“Ⅰ类桩”。

四、结论与建议
从理论上讲，低应变反射波法是我们假定基桩是个一维弹性杆件模型，所以它适用于规则的截面，应力波传递过程中受地质变化、桩身截面变化、土阻力、桩长、长径比、桩端约束条件等多种因素影响。

在对基桩进行低应变反射波法测试分析时，应该先对测试工地的有关地质勘察资料、施工钻孔资料、施工记录、灌注记录等进行全面地收集和了解，充分考虑到地质条件（如桩周土阻力、软硬土层交界面、桩身入岩等）对检测采集的波形曲线的影响。

根据检测经验来说，如果基桩桩侧土层力学性质越好，那么应力波在桩侧土层中传播时损耗就会越大。

当基桩桩侧土层由软土层过渡到硬土层时，采集的波形曲线就会在相应界面位置处产生类似扩径的反向反射信号；而当基桩周围土层由硬土层过渡到软土层时，采集到的波形曲线就会在相应界面位置处产生类似缩颈的同向反射信号；如果不能充分的考虑地质条件变化对检测采集波形曲线的影响，不对基桩所处的地质情况进行了解的话，难免会对检测结果造成误判。

对于地质条件复杂、桩身截面多变或幅度变化较大的工程基桩，由于阻抗变化会引起应力波多次反射，且距离桩顶越近，反射越强，当多个阻抗变化截面的一次或多次反射相互叠加，会出现信号复杂无规律、波形紊乱或难以解释的现象，当遇到这种情况，难以定论时，为更好地对基桩的质量进行分析和判断，有效降低工程风险，需要采用其他准确、可靠度高、直观的检测方法来验证低应变反射波法检测结果的有效性，例如利用钻芯法，辅助以孔内摄像法进行分析验证或者利用钻芯孔作为声测通道进行超声波透射法检测等。

但是当此类基桩数量较多时，钻芯法仅验证个别桩基，不能代表验证整个墩台或整个工程，很容易造成漏判，全部验证工作量又很大，经济性相对较差，且时间长耽误施工进度，这时可利用声波透射法检测，只需在桩身预埋一定数量的声测管，就能检测并定量分析桩身有无缺陷以及缺陷的程度和位置，声波透射法检测具有准确可靠，不受地质条件、桩长、长径比影响限制的特点，可准确评价基桩完整性，相对于取芯验证大大节省了成本和时间。

参考文献：
[1]TB 10218-2019，铁路工程基桩检测技术规程[S].
[2]罗传奇.地质条件在低应变反射波法检测中的作用分析[J].科学与财富，2018(28):55.。