广州市番禺区建设工程质量检测中心
摘要：低应变反射波法是基桩完整性检测最常用的方法，但在检测中常受到多种因素的影响。本文通过简单介绍应力波传播原理和缺陷方向性理论分析，结合工程实例验证与分析，提出低应变反射波法在基桩完整性检测中存在方向性的问题。
关键词：反射波法、缺陷方向性理论、预应力管桩、方向性
现阶段，低应变检测多应用于普查桩身结构完整性，为静载试验、抽芯验桩和高应变动力试桩确定桩位提供依据，其应用于实践中已有近30多年的时间。一维波动理论的应用在实际工作中已经得到充分的论证。
一、应力波传播原理
设想应力波是以桩顶面锤击激震点为中心半球面形式弹性传播。根据弹性波动方程的推导①，纵波（或P波）波动方程：
方程(5)式中 是任意函数， 是从原点向外传播的波动，一般是入射波， 是向着原点传播的波动，一般是反射波。入射波和反射波的波速度一样，均为 。当R=常数时，向着和离开球公共中心点而传播的无限球面波列。被检测桩是一有限长的圆弹性杆体，当在桩顶面锤击激震时，将产生无限球面波列向外传播，如图2所示，当遇到反射介面时无限的球面波产生透射波和折射波，透射波因土阻力的作用消失在岩土中，折射波最终传到桩底后，又会反射到桩顶面。
二、缺陷方向性的理论分析
应力波反射测试过程中，一般用是用手锤或力棒敲击桩头，１、实心桩，传感器安装点与锤击点的距离不宜小于桩径或矩形桩边宽的四分之一；当锤击点在桩顶中心时，传感器安装点与桩中心的距离宜为桩半径的三分之二；２、空心桩，锤击点和传感器安装点宜在桩壁厚的 1/2 处，传感器安装点、锤击点与桩顶面圆心构成的平面夹角宜为 90°。
(图３)
其激振的方式相当于点激振，但又比点激振的面积大，如果桩头处理很好应该是轴对称的，将产生无限球面波列向外传播，中间强、四周弱。如果桩身缺陷是环形轴对称，则传感器的安装不存在方向性的问题；如果桩身缺陷不是轴对称的，比如只有桩身的一边存在缺陷，另一边完好，那么传感器安装在有缺陷的一边和无缺陷的一边所测到的波形就会有很大的不同。下面我们来分析下其原因。
假设桩是均质，各向同性的一维弹性模量，为了分析方便起见，假设桩身缺陷为横向且缺陷表面平滑。首先一种特殊情况，即缺陷大小刚好为桩身半圆。在桩头的中心位置敲击，应力波向下传播并在缺陷处产生反射，有两条途径能使传感器接收到缺陷处的反射波信号，一是直接在缺陷位置上反射回来R1,另一个是在缺陷位置反射后碰到桩身后再反射到桩面传感器位置R2.由于应力波中间强，四周弱的特点，所以入射波R2射到缺陷位置时就比R1弱，再经过桩身外沿位置的二次反射R3，其波强就更弱，也就是说，传感器接收到的缺陷位置反射回来的应力波主要由R1组成。总体来说有两种特殊情况：１、如果传感器安装在没有缺陷的一边的桩头上则接收不到缺陷位置的反射信号或较弱缺陷信号，可以通过简单的几何证明,在图３，缺陷反射波信号不能到达桩头的另一半，最远是返回到波源。当然有一条路径可以使缺陷反射波到达传感器位置，就是先从桩身外沿反射到缺陷位置上，再从缺陷处反射到传感器位置R3，显然R3比R2更弱，相当于传感器接收不到缺陷反射信号；２、如果传感器安装在缺陷的一边的桩头上则接收到较为明显缺陷位置的反射信号。总之传感器接收到的信号是由无数条入射波经过阻抗变化引起的反射波共同叠加的结果。
三、工程实例分析
广州某物流中心，层高8～21层，１层地下室，建筑面积８.6万㎡。基础使用500mm厚壁预应力管桩，DH50柴油锤施打，施工桩长12～25m，最后三阵收锤标准1.0～2.0㎝，单桩设计承载力特征值1700kN，共施工1347根桩。基桩全面完工，待28天后，按照检测规范的要求，随机选取14根桩进行竖向抗压静载试验。1３根桩的承载力达到设计要求，只有245A#桩（配桩：12.0m+6.0m）的极限承载力2720kN达不到设计要求（s-lgt曲线及Q-s曲线见图4），从静载的结果分析：进行静载试验，前8级载荷试验都很稳定，总沉降8.18mm，累计沉降量很小，当加载下一级时，桩就开始下沉累计沉降44.66mm终止试验。从经验推测，要么是持力层软化要么桩身有缺陷，其它桩都合格，只有245A#出现异常应该不是持力层软化，现在最有可能就是桩身有缺陷。为了找出原因对该桩进行井下电视查看，由于井下电视没有达到做管桩的要求，我们从桩孔的南向和北向分别进行查看（北向详见图5、南向详见图6）。南侧的图可知，该桩在6m的接口的位置出现明显破碎；从北侧的图可知没有看到缺陷位置。
单桩竖向抗压静载试验曲线图
（图4）
（图7）
（图10）
低应变检测结果分析可知：南向低应变检测缺陷最明显，其次是东向和西向低应变检测缺陷，北向缺陷最不明显。从245A#桩低应变检测实例验证了低应变检测缺陷是存在方向性的。由于传感器接收到的信号是由无数条入射波经过阻抗变化引起的反射波共同叠加，所以在低应变检测时候应该对桩面不同的方向进行测试，以便得到真实检测结果。
结束语
低应变检测方法作为一个普查手段，由于原理的局限性，致使该检测手段存在一定的不足。检测工程师应该总结现场的检测经验，适当调整该检测方法，并且借助其他完整性检测方法，尽最大的努力发现基桩桩身的缺陷，为地下工程的监督工作提供准确的数据支持。作为一个合格的动测人员，对岩土的特殊性必须予以足够的重视，充分认识和研究试验中出现的各种问题，结合各种相关检测方法进行验证，并给予合理的解决，否则会大大降低试验结果的可靠性。
参考文献:
[1]李广平、陈久照. 广东省标准建筑地基基础检测规范（DBJ15-60-2008)
[2]李广平、陈久照. 工程桩质量检测技术培训教材
论文作者:叶宗铭
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：缺陷论文; 反射论文; 传感器论文; 应变论文; 桩头论文; 方向性论文; 位置论文; 《建筑学研究前沿》2017年第14期论文;