桩基无损检测的应力波反射法及其影响因素与对策分析

时间：2024-05-20

常辉

（宁夏建筑科学研究院有限公司，宁夏银川 750021）

0 引言

桩基检测一般是指桩身的完整性和单桩的承载力两方面的检测，进而到整个桩基工程的检测与评定。桩基础质量好坏直接关系到建筑物的安全，通过质量检测可及时发现和消除桩基工程质量隐患，质量检测是控制桩基质量的重要手段。提高桩基检测的可靠性，必须通过管理和技术的手段，科学运用检测技术及方法，切实避免工程隐患。

1 桩基无损检测的应力波反射法

所谓应力波就是弹性介质施加应力会产生弹性变形，由于连续介质性，弹性变形又产生弹性力，弹性力又产生弹性变形，在弹性介质中以波的形式传播。应力波反射法就是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法，就是利用锤、棒等激振设备敲击桩顶，在冲击力的激励下，桩顶产生振动，并且振动以波的形式沿桩身向下传播，如果遇到缺陷或达到桩底则产生反射波；在桩顶安装传感器（常用速度传感器或加速度传感器）测取桩头的振动及回波，根据回波的时间及相位可判别缺陷的位置、性质等。作用在桩顶上的动荷载远小于桩的使用荷载，不足以使桩产生贯入度，只产生弹性变形。

2 应力波反射法测试的影响因素及对策

2.1 桩头的处理

桩头处理特别重要，桩头清理的好坏将直接影响到检测结果的质量。对于安装传感器的检测面和激振点的敲击面要坚实平整，必须用砂轮打磨平整，并基本与桩身轴线垂直，使激励点和信号接收点直接处于混凝土母体上，同时桩头应充分地清扫干净并吸干渍水。

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90°，激振点和传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。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。

2.2 传感器的选择与安装

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。

传感器的安装应该注意以下几个方面：

1）在传感器安装时，应必须确保传感器的轴线与桩身的纵轴线平行（或确保传感器的轴线与桩头平面垂直）。

2）传感器的安装可采用胶粘接、石膏粘接、薄蜡或润滑脂粘接和橡皮泥粘接等方法与桩连接。下面介绍几种较常用的粘合剂：粘性好的黄油或凡士林，经济实用，但黄油较脏，凡士林较干净；干净方便的牙膏；不论采用何种方式粘接，都必须保证传感器与桩顶之间有一个良好的耦合效应。在保证粘接效果的前提下，尽可能减少传感器和桩顶之间的粘接材料厚度，并在粘接物材料完全固化后进行检测。

3）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90°，激振点和传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。

4）传感器是否安装好，可用手指轻弹传感器侧面，若传感器纹丝不动则说明已经安装好。

2.3 土层的影响

在对桩基进行低应变反射波法测试时，要充分考虑到桩周土层对所采集波形曲线的影响。检测人员往往只注意到桩身波阻抗变化造成的信号反射，而忽略了应力波在桩身中传播时，不仅受到桩身材料、刚度及缺陷的影响，还受到桩周土层的土模量大小的影响。当桩周土从软土层变化到硬土层时，采集的波形曲线会在相应位置处产生类似扩径的反射波，而当桩周土从硬土层变化到软土层时，采集的波形曲线会在相应位置处产生类似缩径的反射波。如果不考虑桩周土对采集波形曲线的影响，不了解桩侧的地质情况，容易对基桩产生误判。

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。

2.4 测试时间的选择

测试时间应当根据桩的类型、强度、弹性模量等选择合适的时间，例如混凝土灌注桩的强度是随其龄期增加而增大的，当混凝土的强度和弹性模量都达到一定值时，手锤敲击桩头才可能产生应力波，并在桩中传播，如果桩体的弹性模量太小，即使增加锤击能量也难于得到桩底反射信号。所以，对于混凝土灌注桩，测试时间一般应选在桩身达到规范规定的龄期后进行，特别对长桩更应如此，并且被测桩还应达到规定的养护龄期。

2.5 检测点和激振点的选择

测桩目的是激励桩的纵向振动振型，但相对桩顶横截面尺寸而言，激振点处为集中力作用，在桩顶部位难免出现与桩的径向振型相对应的高频干扰。当锤击脉冲变窄或桩径增加时，这种由三维尺寸效应引起的干扰加剧。传感器安装点与激振点距离和位置不同，所受干扰的程度各异。

研究成果表明：实心桩安装点在距桩中心2/3R处，所受干扰相对较小；空心桩安装点与激振点平面夹角等于或略大于900，位置宜为桩壁厚的1/2处，该处相当于径向耦合低阶振型的驻点。此外检测点的布置位置对大直径桩特别重要。对于桩径大于500mm的桩应多布置几个检测点（至少三点），敲击至少两点以上测得的原始波形进行分析，激振点选在桩头中心部位。

2.6 滤波的影响

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，容易掩盖浅层缺陷，选择过高，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。

2.7 激振锤的选择

激振效果的好坏，主要受碰撞材料的重量、硬度、弹性模量、接触面积以及碰撞方向和碰撞速度等影响。一般来说，材质越软，敲击速度越低（提升高度越低），一般情况，宜采用尼龙锤敲击，对于浅部缺陷应采用铁锤敲击。锤击脉冲过宽，会掩盖桩身浅部问题；锤击脉冲过窄，会出现应力波弥散；锤击能量过小，就很难将整个桩激振，特别对一些大长桩，就很难看出桩底反射；锤击时，应尽量保证锤击方向与桩面垂直，以减少水平分量对波形产生的干扰。