第2章 橋梁樁基完整性檢測方法與技術

2.1 低應變反射波法

反射波法就是對樁基的樁頂施加一個人為的壓力波，該壓力波將沿著樁體本身從樁頂傳遞到樁底，如果樁身的某一部分混凝土介質發生質的變化時，由于混凝土中夾雜著泥漿、空氣等有害介質將產生較大的阻抗比，該應力波將無法完全穿透混凝土介質，進而應力波將部分在發生質變的界面產生繞射、折射、反射等造成應力波能量散失，對這些應力波信號進行收集、記錄，并確定其參數，根據這些獲得參數來判斷樁基是否存在問題。低應變反射波法具有簡便、快速、經濟等特點，是目前應用最廣泛的一種橋梁樁基完整性檢測方法。

2.1.1 基本原理

根據一維波動理論，樁頂部受到一錘擊作用力，產生的振動波在樁身中以波速c向樁底傳播，如果樁身阻抗發生變化，振動波的傳播規則就像波在不同截面桿中傳播。如圖2.1.1所示下標i、r、t分別表示入射波、反射波與透射波，根據式（2.1.1）、式（2.1.2），可以算出數反射波系數R_r、透射波系數R_t。

只有下行波P₁通過變截面時：

只有上行波P₂通過變截面時：

圖2.1.1 入射波、反射波與透射波示意圖

得出

式中 Z——阻抗；

n——阻抗比；

ρ、A——樁的密度與截面積；

c——波速。

由式（2.1.3）可知：

1）當n=l時，R_r=0，說明樁身沒有阻抗不同或截面不同的材料，沒有反射波的存在。

2）當n>1時，Z₁>Z₂，R_r>0，反射波和入射波符號相同。說明樁身是由高阻抗高強度材料進入低阻抗低硬度材料或由大截面進入小截面。

3）當n<l時，Z₁<Z₂，R_r<0，反射波和入射波符號相反。說明樁身是由低阻抗低硬度材料進人高阻抗抗高強度材料或由小截面進入大截面。

以上3種情況的論述表明，按照反射波和入射波的變化關系，可以判別樁身波阻抗的性質，這是低應變反射波動測法判別樁身完整性的依據。

2.1.2 檢測技術及方法

（1）樁頭處理。

清除樁頂浮漿及未膠結好的混凝土，使樁頭露出混凝土的上面，并使樁頂面光滑平整，必要時使用砂輪機磨平，不要使用水泥砂漿打平，防止水泥凝固不好引起誤判。以上工作都應該以不破壞樁頭平整性為基礎，因為如果樁頭受損會造成測試時出現較多的子波干擾，引起信號的復雜化，給正確判斷樁身質量增加困難，如圖2.1.2所示。

圖2.1.2 現場樁頭處理圖

（2）測設參數。

根據相關規范，設備的試驗參數應滿足如下規定：

1）記錄的時間段長度應在2L/c時刻后延續大于5ms；頻幅信號分析的頻率范圍上限要大于2000Hz。

2）設定樁長應為樁頂部觀測位置到樁底部的施工的實際樁長，設定樁身截面積應該為施工截面積。

3）樁身波的傳播速度可按照該地區一樣類型樁的實驗值初步設定。

4）收集信號時間間隔或采樣頻率應根據樁長、樁身波傳播速度和頻域分辨率合理選擇；時域信號收集點數不應該少于1024點。

5）傳感器的設定值需要按照計量檢定結果設置。

（3）傳感器的選擇與安裝。

測振傳感器是低應變動測中最基本的必不可少試驗部件之一，傳感器直接與試驗樁相連接，將機械振動參數轉換為電信號，傳感器的性能參量的優劣，直接關系到轉為電信號的數據是否客觀地反映樁本身的反射信號，因此它必須滿足以下條件：

1）較寬的動態范圍。

2）較寬的頻率響應范圍。

3）較小的失真度。

4）需要穩定的傳感器性能。

5）需要有較小的受非振動環境影響。

傳感器的頻率響應特性應能滿足不同測試對象、不同測試目的的需要。當檢測長樁的樁端反射信號或下部缺陷時，應采用低頻性能好的傳感器，當檢測短樁或樁的淺部缺陷時，應采用加速度器或寬頻帶的速度傳感器。

傳感器裝置采用化學黏結劑或石青等黏結，黏結層應該盡量薄；必要時可使用沖擊鉆打孔的安裝方法，但傳感器應與樁頂面緊密連接。安裝時須要使傳感器與樁頂面垂直。

圖2.1.3 傳感器安裝點及錘擊點布置示意圖

●—激振錘擊點；○—傳感器安裝點

有關研究表明，應在距樁截面中心大約2/3半徑處安裝傳感器，如圖2.1.3所示，此處從周邊反射回來的應力波與由圓心外散出的應力波發生的疊加效果最弱，干擾相對最小。

（4）激振。

1）激振點：應該選擇樁頂面中心部位。

2）激振方式：應通過現場敲擊試驗，采用合適重量的激振力錘和錘墊，應該用寬脈沖取得樁底或樁下部缺陷反射信號，應該用窄脈沖取得樁身上部缺陷反射信號。

3）激振點與傳感器應遠離鋼筋籠的主筋，以減少外露鋼筋對測試信號產生的干擾信號。

（5）信號采集。

根據樁尺寸大小，圍繞樁基中心沿樁身對稱布設二到4個檢測點，當樁的半徑小于0.5m時檢測樁的測點數不應該少于2個，樁徑超過1m時檢測樁的測點數不應該少于4個，并且每個測點收集到的有用信號不宜少于3個，為了采用疊加平均提升信噪比。需要檢查所測到信號的一致性，分析判別能否表示樁身完整性，如果不能提升信噪比就應增加檢測點數。

2.1.3 樁身完整性的判定與分析

（1）樁身波速平均值的確定，應符合下列規定：

當樁長已知、樁底反射信號明確時，應在地基條件、樁型、成樁工藝相同的基樁中，選取不少于5根I類樁的樁身波速值，按下列公式計算其平均值：

式中 c_m——樁身波速的平均值，m/s；

c_i——第i根受檢樁的樁身波速值，m/s，且|c_i-c_m|/c_m不宜大于5%；

L——測點下樁長，m；

ΔT——速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差，ms；

Δf——幅頻曲線上樁底相鄰諧振峰間的頻差，Hz；

n——參加波速平均值計算的基樁數量，n≥5。

（2）樁身缺陷位置應按下列公式計算：

式中 x——樁身缺陷至傳感器安裝點的距離，m；

Δt_x——速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差，ms；

c——受檢樁的樁身波速，m/s，無法確定時可用樁身波速的平均值替代；

Δf′——幅頻信號曲線上缺陷相鄰諧振峰間的頻差，Hz。

（3）樁身完整性判定。

樁身完整性類別應結合缺陷出現的深度、測試信號衰減特征以及設計樁型、成樁工藝、地基條件、施工情況和時域信號特征或幅頻信號特征進行綜合分析判定（見表2.1.1）。

2.1.4 低應變反射波法的特點

低應變反射波法測樁的優點如下：

（1）檢測操作簡便、效率高、檢測時間短、經濟、對工期影響極小，而且在需要時可以全部檢測。

（2）可以在混凝土強度不足時進行檢測，及時發現缺陷。

（3）能檢測出較顯著的樁身缺陷及樁長不符，并且能夠較為準確地確定缺陷位置及程度。

缺點及局限性如下：

（1）如果兩缺陷相近或有多個缺陷時，很難檢測出在樁身的深度缺陷。

（2）樁身阻抗發生漸變的缺陷很難檢測判斷。

（3）無法檢測樁身豎向的裂縫，也不能準確判定樁底沉渣的情況。

（4）詳細的場地地質及施工記錄、或施工記錄不準確時，很難判斷樁身的缺陷性質。

（5）不能準確地根據平均波速推斷樁身混凝土強度。

（6）對檢測施工人員的專業技術要求很高，因為在最后的數據分析判斷方面，主要還是依靠檢測技術人員的經驗和專業技能。