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摘要： 本文分析了预应力管桩结构完整性存在的问题，对管桩中应用低应变反射波法的可行性以及工程检测中注意的问题作了详细分析，结合工程实践提出了完善该方法的研究方向。
关键词： 检测 预应力管桩 结构完整 反射波法
Abstract: this paper analyzes the structural integrity prestressed pipe pile, the existing problems of the application of low strain of pipe pile reflection wave method to test the feasibility of the project and the questions needed to attention in a detailed analysis, combining the engineering practice put forward the perfect the method of research direction.
Keywords: detection prestressed pipe pile are complete structure reflected wave method
中圖分类号： U443.15+7 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
随着工程建设的快速发展，作为深基础的桩基，工艺类型也逾来逾多，其中预应力管桩因成形快、强度高(C60、C80)、运输和施工方便等具备诸多的优点在一些地区得到了广泛地应用。
管桩按混凝土强度等级可分为：预应力混凝土管桩(代号PC)、预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC)和预应力高强混凝土管桩(代号PHC)，目前建筑工程应用较多的规格为300一600mm、单节长度7—15m。
2预应力管桩结构完整性存在的问题
管桩按混凝土强度等级可分为：预应力混凝土管桩(代号PC)、预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC)和预应力高强混凝土管桩(代号PHC)，目前建筑工程应用较多的规格为300一600mm、单节长度7—15m。
然而，实践表明，PHC管桩与普通实心灌注桩、预制方桩相比．在结构上表现明显的脆性，易产生破裂。从检测角度看，其缺陷形式比较单纯．常见缺陷为裂缝(隙)和断裂、断桩等。
其原因主要有：其一．部分厂家生产的PHC 管桩质量劣质，如接柱处铁帽松动，柱管壁厚薄不均匀，生产流线上或管桩在搬运过程碰击，形成微裂缝等；其二．接桩质量问题。除了施工管理质量责任事故外．主要是焊接技术问题．如焊口填料不饱满，焊后自然冷却时间不够(iE常需8分钟)为了赶工期就施工等；其三．现场移机时．桩在土层软硬交界变化处桩身水平剪力推断；其四．基坑开挖施工中不慎，机械铁铲机碰撞柱断裂，尤其在柱距较小布桩较密时，更容易产生。
可见，PHC管桩虽然高强度，质量较可靠。但在竣工后应需要对桩身完整性进行检测。目前，检测方法采用低应变反射波法最简单，也最适宜。
3检测的基本原理
表面看来管桩(中空)似乎不符合一维波动理论线弹性杆件的要求，一些人认为，将低应变反射波法应用于管桩来检测其结构完整性有些牵强，但是在下面的理论分析和工程实例中，我们将会看到一维波动理论同样适用于管桩。
我们知道在弹性介质内某一点受到挠动或振动时，这一挠动或振动将以波的形式在弹性介质内传播，形成弹性波，并服从弹性波传播规律。显然，在一定条件下，管桩混凝土介质符合均匀连续、完全弹性和小变形等假定，可视作弹性体。
3．1 一维波动方程
基于桩长远大于桩径和桩体强度远大于周边介质(管外为土，管内为空气、水或土)强度两个事实，我们又可将管桩简化为一维“杆件”模型，而且弹性波被约束在“杆件”内传播，且不发生能量耗散。
如图l所示，令“杆件”外径为R、内径为r， 轴与“杆件”轴心重合，在“杆件”一端施一与“杆件”同向的激励，产生弹性波(纵波)，沿“杆件”向另一端传播，于是波经过处各质点处于弹性振动状态。
考察微元dx，设某一时刻振动位移为u，则其体积dv=Sdx，其中，截面S=R2一r2 ：
根据牛顿第二定律
ΣFx=ma(1)
ΣFx=(x一＇x )S
m=pdv，P为密度
a=a2u／at2 (2)
2和＇2分别为X轴方向微元dx两面上的应力，由弹性力学可知，应力是坐标的连续函数，因此，在2得到自变量增量dx变为x有如下关系：
=x+(x／x)dx+(1／2 !)(2 x／x2 )(dx)2 (3)
略去含有一阶以上的高阶微量的所有各项，得
＇x=x+(x／x)dx (4)
同样，在不考虑高阶微量的情况下，应变与位移的关系如下
x=u/x (5)
最后，根据虎克定率.
x =Ex
E 为弹性模量(6)
把(5)代入(6)，并对X求一阶偏导数，得
x／x =E(2u/2x ) (7)
再把(2)、(3)、(4)、(7)式代入(1)得
E(2u/2x)= (2u/2x ) (8)
注意到 vp2=E／p，V为纵波速度，代入(8)得到，
2u/2x=(1/ vp2) (2u/2x)
这就是大家熟悉的一维波动方程。
在上面的推导过程中，不难发现“杆件”的有效截面积．s已经消去。可见，一维波动理论是否能够成立，与“杆件”的截面形态无关。
3．2 波的反射与透射
众所周知，桩基完整性检测必须满足平面波垂直入射这一假设，因为只有这样，当弹性波往下传播时，遇到波阻抗突然变化界面，才不会产生波的转换，即仅有反射波和透射波存在。另外，还必须假定分界面两侧是密接的，在应力的作用下，两侧介质不会沿着分界面产生破裂、滑动等现象。这样我们就可以认为应力和弹性位移在分界面处是连续的。
对管桩来说，同样满足这两个要求。
通过对一维波动方程的解，即
u(x,t)=f(x-vt)和两个参量连续假定作一些简单的运算(这里不再赘述)，得到：
反射系数凡：n=(p2V2-p1V1)／(p2V2+p1V1)
透射系数T=2p1V1／(p2V2+p1V1)
其中，p1、V1 和p2、V2分别为界面两侧介质的密度和振速。
反射系数凡(一1≤n≤1)的物理意义是弹性波垂直入射到界面上后被反射回的能量多少，说明界面上能量的分配问题，反射系数的大小取决于上下介质的波阻抗差，n越大，反射波的振幅也越大，反之就越小，特别地，当n=0，即p2V2= p1V1时，则不发生反射。
这就是反射波法检测桩身完整性的精髓所在，即桩身缺陷类型(性质)识别和缺陷程度的判断，依赖于n的正负和大小。而缺陷的位置则由L＇=(VD*t)／2确定。
4 工程实例与分析
4.1工程检测情况
图2为中山市工业园区某工地尚未施打的101 预应力管桩的实测曲线，桩型规格是PC A500 100 11，桩底反射十分强烈，波速V=4100m／s，在正常范围内(3900—4400m／s )。圖3为该桩被压人土中后测得的曲线，经滤波放大处理，桩底反射亦较为清晰，只是波速V=3920m／s，略有下降，主要是土阻力的影响，但仍未超出正常范围。
图4为同一工地的另一根28 桩(已压人地下)的实测曲线，在4．6m处有一个明显子波叠加，但桩底尚可分辨，故判定该桩为类桩。
为了验证结论的可靠性，我们采用“水下摄影”——一种更为直观的检测方法——将摄像头放到管内距桩顶以下4．6m左右，沿内壁周围仔细探寻，最后在5．1m处清楚地看到约有20cm长的横向裂隙，裂隙宽度小于1 mm。显然，该缺陷不会影响桩身结构承载力的正常发挥。
预应力管桩的缺陷类型只有裂隙、断裂和接桩欠密实3种，其反射波形态与常见桩基毫无二致。更多的实例表明，反射波法应用于管桩来检测其结构完整性与实际相符得很好。
4．2问题与分析
当然，与检测其他桩型一样，这里也存在不少问题，比如，在一侧激发，另一侧接受，二维效应就较为显著(尤其600mm)，波形就可能发生畸变，甚至掩盖缺陷、看不清桩底。这时，应变换敲击或接收点位置，使其均在一侧，直至采集到满意的曲线为止。
在常见的桩型中，根据经验，浅部较重缺陷肯定能被发现，但是，由于其深度大都小于一个波长(主频)，即在所谓的盲区内，因此其具体位置难以确定，在曲线上表现为被首脉冲掩盖或是大波浪。在检测管桩的过程中，我们发现，浅部缺陷有可能被遗漏。如图5a，是苏州工业园区某工地119 工程桩(桩型规格为PCA600 100 12)在一侧敲击和接收时的实测曲线，桩底反射清晰、其间无子波叠加、波速正常，可见桩身完好。如图5则是在另一侧敲击和接收时的实测曲线：大波浪—-明显的浅部较重缺陷的特征，经反复敲击都是如此。通过“水下摄影”，发现在该侧的正下方1．5m处，有一约32cm×17cm的破碎带。两种截然不同的结果，让我们感到检测管桩的复杂性和艰巨性。看来，对大直径管桩检测多费些时间是应该的。
对长桩的检测一直是人们关注的问题，弹性波传播时伴随着能量的衰减是不争的事实，如果桩周土比较坚硬而且与桩身耦合得很好，那么，在桩底反射波(如果有的话)尚未到达桩顶前其能量就有可能耗散殆尽。
对于管桩，我们有深刻的体会，大凡接桩长度超过20m，而且穿越坚硬的粘土或密实的砂层，看到桩底或缺陷反射是很困难的。这就降低了该方法用来判定管桩桩身完整性的可信度。遇到这种情况，建议采用高应变或“水下摄影”等方法，适当抽取部分可疑桩进行检测并结合该工程的静载结果做出准确的评价。
5、现场检测要求
5．1 测点的布置．传感器安装位置．对于正常灌注桩和预制方桩．宜在离桩中心的1／2—1／3半径处；但对于空心管桩而言．测点传感器是安装在管桩原壁中心位置。
5．2 激振点对于正常空心桩．在桩中心位置，而对于空心管桩而言，激振点设在桩中心连线和传感器安装点与桩中心的夹角450一1350范围内。或空心桩的激振点与测振传感器安装位置的水平面的水平夹角9O0为宜。
5．3 测点分布问题，一般地．对于实心基桩若有一处缺陷．则在桩面上任何一点测试均能有反映。但实践表时．空心管桩横截面是圆环形，纵波沿桩身传播时．会受到桩空心内侧壁面空气介质的影响，因此，测试点应均匀布，选3—4点为宜。
6结束语
管桩缺陷在反射波曲线中有多种表现形式，在实测中．应根据缺陷形成的原因具体分析，特别是对于桩身有一定的倾斜度的缺陷桩，不能因为其正相反射幅值低和多次周期性反射不明显而轻判。由于管桩的特殊性，在某些情况下，对平面波假定这一条件可能难以满足，故在检测时会遇到一些困难，希望和大家一起共同探讨这个问题，以期反射波法在管桩中的应用日趋完善。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词： 检测 预应力管桩 结构完整 反射波法
Abstract: this paper analyzes the structural integrity prestressed pipe pile, the existing problems of the application of low strain of pipe pile reflection wave method to test the feasibility of the project and the questions needed to attention in a detailed analysis, combining the engineering practice put forward the perfect the method of research direction.
Keywords: detection prestressed pipe pile are complete structure reflected wave method
中圖分类号： U443.15+7 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
随着工程建设的快速发展，作为深基础的桩基，工艺类型也逾来逾多，其中预应力管桩因成形快、强度高(C60、C80)、运输和施工方便等具备诸多的优点在一些地区得到了广泛地应用。
管桩按混凝土强度等级可分为：预应力混凝土管桩(代号PC)、预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC)和预应力高强混凝土管桩(代号PHC)，目前建筑工程应用较多的规格为300一600mm、单节长度7—15m。
2预应力管桩结构完整性存在的问题
管桩按混凝土强度等级可分为：预应力混凝土管桩(代号PC)、预应力混凝土薄壁管桩(代号PTC)和预应力高强混凝土管桩(代号PHC)，目前建筑工程应用较多的规格为300一600mm、单节长度7—15m。
然而，实践表明，PHC管桩与普通实心灌注桩、预制方桩相比．在结构上表现明显的脆性，易产生破裂。从检测角度看，其缺陷形式比较单纯．常见缺陷为裂缝(隙)和断裂、断桩等。
其原因主要有：其一．部分厂家生产的PHC 管桩质量劣质，如接柱处铁帽松动，柱管壁厚薄不均匀，生产流线上或管桩在搬运过程碰击，形成微裂缝等；其二．接桩质量问题。除了施工管理质量责任事故外．主要是焊接技术问题．如焊口填料不饱满，焊后自然冷却时间不够(iE常需8分钟)为了赶工期就施工等；其三．现场移机时．桩在土层软硬交界变化处桩身水平剪力推断；其四．基坑开挖施工中不慎，机械铁铲机碰撞柱断裂，尤其在柱距较小布桩较密时，更容易产生。
可见，PHC管桩虽然高强度，质量较可靠。但在竣工后应需要对桩身完整性进行检测。目前，检测方法采用低应变反射波法最简单，也最适宜。
3检测的基本原理
表面看来管桩(中空)似乎不符合一维波动理论线弹性杆件的要求，一些人认为，将低应变反射波法应用于管桩来检测其结构完整性有些牵强，但是在下面的理论分析和工程实例中，我们将会看到一维波动理论同样适用于管桩。
我们知道在弹性介质内某一点受到挠动或振动时，这一挠动或振动将以波的形式在弹性介质内传播，形成弹性波，并服从弹性波传播规律。显然，在一定条件下，管桩混凝土介质符合均匀连续、完全弹性和小变形等假定，可视作弹性体。
3．1 一维波动方程
基于桩长远大于桩径和桩体强度远大于周边介质(管外为土，管内为空气、水或土)强度两个事实，我们又可将管桩简化为一维“杆件”模型，而且弹性波被约束在“杆件”内传播，且不发生能量耗散。
如图l所示，令“杆件”外径为R、内径为r， 轴与“杆件”轴心重合，在“杆件”一端施一与“杆件”同向的激励，产生弹性波(纵波)，沿“杆件”向另一端传播，于是波经过处各质点处于弹性振动状态。
考察微元dx，设某一时刻振动位移为u，则其体积dv=Sdx，其中，截面S=R2一r2 ：
根据牛顿第二定律
ΣFx=ma(1)
ΣFx=(x一＇x )S
m=pdv，P为密度
a=a2u／at2 (2)
2和＇2分别为X轴方向微元dx两面上的应力，由弹性力学可知，应力是坐标的连续函数，因此，在2得到自变量增量dx变为x有如下关系：
=x+(x／x)dx+(1／2 !)(2 x／x2 )(dx)2 (3)
略去含有一阶以上的高阶微量的所有各项，得
＇x=x+(x／x)dx (4)
同样，在不考虑高阶微量的情况下，应变与位移的关系如下
x=u/x (5)
最后，根据虎克定率.
x =Ex
E 为弹性模量(6)
把(5)代入(6)，并对X求一阶偏导数，得
x／x =E(2u/2x ) (7)
再把(2)、(3)、(4)、(7)式代入(1)得
E(2u/2x)= (2u/2x ) (8)
注意到 vp2=E／p，V为纵波速度，代入(8)得到，
2u/2x=(1/ vp2) (2u/2x)
这就是大家熟悉的一维波动方程。
在上面的推导过程中，不难发现“杆件”的有效截面积．s已经消去。可见，一维波动理论是否能够成立，与“杆件”的截面形态无关。
3．2 波的反射与透射
众所周知，桩基完整性检测必须满足平面波垂直入射这一假设，因为只有这样，当弹性波往下传播时，遇到波阻抗突然变化界面，才不会产生波的转换，即仅有反射波和透射波存在。另外，还必须假定分界面两侧是密接的，在应力的作用下，两侧介质不会沿着分界面产生破裂、滑动等现象。这样我们就可以认为应力和弹性位移在分界面处是连续的。
对管桩来说，同样满足这两个要求。
通过对一维波动方程的解，即
u(x,t)=f(x-vt)和两个参量连续假定作一些简单的运算(这里不再赘述)，得到：
反射系数凡：n=(p2V2-p1V1)／(p2V2+p1V1)
透射系数T=2p1V1／(p2V2+p1V1)
其中，p1、V1 和p2、V2分别为界面两侧介质的密度和振速。
反射系数凡(一1≤n≤1)的物理意义是弹性波垂直入射到界面上后被反射回的能量多少，说明界面上能量的分配问题，反射系数的大小取决于上下介质的波阻抗差，n越大，反射波的振幅也越大，反之就越小，特别地，当n=0，即p2V2= p1V1时，则不发生反射。
这就是反射波法检测桩身完整性的精髓所在，即桩身缺陷类型(性质)识别和缺陷程度的判断，依赖于n的正负和大小。而缺陷的位置则由L＇=(VD*t)／2确定。
4 工程实例与分析
4.1工程检测情况
图2为中山市工业园区某工地尚未施打的101 预应力管桩的实测曲线，桩型规格是PC A500 100 11，桩底反射十分强烈，波速V=4100m／s，在正常范围内(3900—4400m／s )。圖3为该桩被压人土中后测得的曲线，经滤波放大处理，桩底反射亦较为清晰，只是波速V=3920m／s，略有下降，主要是土阻力的影响，但仍未超出正常范围。
图4为同一工地的另一根28 桩(已压人地下)的实测曲线，在4．6m处有一个明显子波叠加，但桩底尚可分辨，故判定该桩为类桩。
为了验证结论的可靠性，我们采用“水下摄影”——一种更为直观的检测方法——将摄像头放到管内距桩顶以下4．6m左右，沿内壁周围仔细探寻，最后在5．1m处清楚地看到约有20cm长的横向裂隙，裂隙宽度小于1 mm。显然，该缺陷不会影响桩身结构承载力的正常发挥。
预应力管桩的缺陷类型只有裂隙、断裂和接桩欠密实3种，其反射波形态与常见桩基毫无二致。更多的实例表明，反射波法应用于管桩来检测其结构完整性与实际相符得很好。
4．2问题与分析
当然，与检测其他桩型一样，这里也存在不少问题，比如，在一侧激发，另一侧接受，二维效应就较为显著(尤其600mm)，波形就可能发生畸变，甚至掩盖缺陷、看不清桩底。这时，应变换敲击或接收点位置，使其均在一侧，直至采集到满意的曲线为止。
在常见的桩型中，根据经验，浅部较重缺陷肯定能被发现，但是，由于其深度大都小于一个波长(主频)，即在所谓的盲区内，因此其具体位置难以确定，在曲线上表现为被首脉冲掩盖或是大波浪。在检测管桩的过程中，我们发现，浅部缺陷有可能被遗漏。如图5a，是苏州工业园区某工地119 工程桩(桩型规格为PCA600 100 12)在一侧敲击和接收时的实测曲线，桩底反射清晰、其间无子波叠加、波速正常，可见桩身完好。如图5则是在另一侧敲击和接收时的实测曲线：大波浪—-明显的浅部较重缺陷的特征，经反复敲击都是如此。通过“水下摄影”，发现在该侧的正下方1．5m处，有一约32cm×17cm的破碎带。两种截然不同的结果，让我们感到检测管桩的复杂性和艰巨性。看来，对大直径管桩检测多费些时间是应该的。
对长桩的检测一直是人们关注的问题，弹性波传播时伴随着能量的衰减是不争的事实，如果桩周土比较坚硬而且与桩身耦合得很好，那么，在桩底反射波(如果有的话)尚未到达桩顶前其能量就有可能耗散殆尽。
对于管桩，我们有深刻的体会，大凡接桩长度超过20m，而且穿越坚硬的粘土或密实的砂层，看到桩底或缺陷反射是很困难的。这就降低了该方法用来判定管桩桩身完整性的可信度。遇到这种情况，建议采用高应变或“水下摄影”等方法，适当抽取部分可疑桩进行检测并结合该工程的静载结果做出准确的评价。
5、现场检测要求
5．1 测点的布置．传感器安装位置．对于正常灌注桩和预制方桩．宜在离桩中心的1／2—1／3半径处；但对于空心管桩而言．测点传感器是安装在管桩原壁中心位置。
5．2 激振点对于正常空心桩．在桩中心位置，而对于空心管桩而言，激振点设在桩中心连线和传感器安装点与桩中心的夹角450一1350范围内。或空心桩的激振点与测振传感器安装位置的水平面的水平夹角9O0为宜。
5．3 测点分布问题，一般地．对于实心基桩若有一处缺陷．则在桩面上任何一点测试均能有反映。但实践表时．空心管桩横截面是圆环形，纵波沿桩身传播时．会受到桩空心内侧壁面空气介质的影响，因此，测试点应均匀布，选3—4点为宜。
6结束语
管桩缺陷在反射波曲线中有多种表现形式，在实测中．应根据缺陷形成的原因具体分析，特别是对于桩身有一定的倾斜度的缺陷桩，不能因为其正相反射幅值低和多次周期性反射不明显而轻判。由于管桩的特殊性，在某些情况下，对平面波假定这一条件可能难以满足，故在检测时会遇到一些困难，希望和大家一起共同探讨这个问题，以期反射波法在管桩中的应用日趋完善。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。