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摘要：桩基工程是整体工程的基础，它在工程界被受到重视。但是桩基础质量容易被隐蔽，一旦不能及时发现缺陷，将给整个工程留下很严重的隐患。本文结合基桩低应变反射波法的基本理论，阐述了影响低应变反射波法检测的因素。指出了信号处理、传感器安装、桩头处理及击振过程中需要注意的问题，指出了低应变反射波法在基桩检测工作中的局限性，对指导工程实践有一定的参考价值。
关键词：基桩检测；低应变；应力波；传感器
Abstract: the pile foundation engineering is the foundation of the whole project, it is received at the engineering circles. But the pile foundation quality is easily hidden, if not timely find defects, will give the whole project leave serious hidden danger. In this paper, combined with the basic theory of low strain reflected wave method in pile, expounds the influence factors of low strain reflection wave method testing. Pointed out the problem of signal processing, sensor installation, treatment of pile head and the need to pay attention to in the process of vibrating, points out the limitations of low strain reflected wave method in pile foundation detection work, have certain reference value to guide the engineering practice.
Keywords: detection of foundation pile; low strain; stress wave; sensor
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1、概述
低应变反射波法是基桩动测的主导方法之一。基桩质量的检测方法有很多，目前普遍采用低应变反射波法，这种检测方法以其经济性、快捷性、轻便性、无损性等优点受到广大基桩监测工作者的应用和推广。其基本原理是通过分析在桩顶处接收到的应力波信号来判断基桩质量。该方法以一维杆件波动理论及振动理论为依据,其检测可信度已被大量工程所验证。由于反射波法具有反射清晰、明了的特点，又能结合谱图对时域曲线结论进行验证性分析，故在现场为较多的检测单位采用。然而，在检测实践中，现场检测人员如果在某些细微环节方面不能引起足够的重视，尽管自始至终严格按规范检测，报告结论也准确无误，还是有可能犯错误甚至造成严重的后果。据此，笔者将从反射波法的基本原理入手向读者解释低应变反射波法检测中需要注意的一些问题。
2、 低应变反射波法的基本原理
反射波法将单桩视为一维匀质弹性体构件（桩长>>直径），当桩顶受到一较小的激振力后，产生的弹性应变以纵波形式沿桩身向下传递。由于桩顶施加的是一个激振力，土体振动的影响可忽略不计。应力波沿桩身传播的规律遵循一维波动方程，根据一维波动方程分析导出的反射波相位特征，是反射波法测试的主要依据。当桩身存在明显的波阻抗 Z 变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗 Z 变化决定。桩身波阻抗 Z 由桩的横截面积 A、桩身材料密度ρ等决定:Z=ρCA假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗 Z1=ρ1C1A1，上部波阻抗Z2=ρ2C2A2。
①当 Z1=Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷。
②当 Z1>Z2时，表示在相应位置存在截面缩小或砼质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。
③当 Z1 实例
下面是工程物探技术在建设工程施工质量控制方面应用的实例，称为桩基无损检测，是目前最为广泛的一种重要技术手段。它是根据弹性波传递速度变化来判断砼质量、桩身缺陷和缺陷的位置、桩的施工长度和桩的形状等。
图1 灌注桩常见典型缺陷
图2 桩身典型缺陷与动测波形特征
图1是桩基施工过程中常见的典型缺陷，图2是利用工程物探技术（反射波法）检测桩基质量得出的常见典型波形。其理论是根据一维波动理论导出的。它视桩为一弹性杆件，利用桩身波阻抗的变化（即桩身的波速、密度、截面积的变化）对波形的影响来分析桩身的完整性。当人工激发产生的弹性波沿桩身向下传播时，若遇到波阻抗差异界面将产生反射波。在桩身不同部位及不同缺陷类型所产生的反射波到达传感器的时间、相位是不同的。因此，根据实测曲线的特征，就可以判定桩身的完整性。
从上述图可以得出结论，根据弹性波在岩土体中的传播速度来划分地层界面的就是弹性波物探方法，不同的地层可能具有不同的力学性质,。由于弹性波速度反映的是地层的力学性质，也可能具有相同或相近的力学性质。当弹性波速度相同或相近, 两个地层紧接在一起时, 在解释上便可能出现同一速度层。出现这种情况并不可怕, 怕的是由于其它干扰波的叠加、影响造成的假判、误判, 造成解释成果出现较大的偏差。只有通过对比、验证、积累经验, 才能促进分析、解释技术水平的提高。虽然反射波法操作简便快捷、费用以及对施工要求都较低，但是波形判读较复杂，需检测人员经验丰富，桩身上部严重缺陷将掩盖下部缺陷，许多缺陷难以定量分析。物探工程师对物探资料的解释、分析是借助岩土体力学性质变化特征去认识岩土体的内在本质, 而岩土工程师是从地质学的角度、岩土体的外表特征去认识和判别岩土体的内在本质。
4、影响低应变反射波法检测的几个因素
4.1 桩头处理
若桩头处理不当，如桩头击振点不密实，传感器安装点不平，往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲或获得较宽的冲击脉冲，无法获得桩身信息。一般情况下，桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止，而且要保证平整、干净且桩头不能破碎；测试前应对击振点及传感器安装点采用剖光机打磨。
4.2 傳感器的选择与安装
在对基桩进行低应变反射波法测试时选用速度或加速度传感器。其中速度计在低频段的幅频特性和相频特性较差，在信号采集过程中，因击振激发其安装谐振频率，而产生寄生振荡，容易采集到具有振荡的波形曲线，对浅层缺陷反应不是很明显。同速度计相比，加速度计无论是在频响特性还是输出特性方面均具有巨大优势，并且它还具有高灵敏度的优点， 因此用高灵敏度加速度计测试所采集到的波形曲线，没有振荡，缺陷反应明显。所以建议在对基桩进行低应变反射波法测试时选用高灵敏度加速度计检测。传感器的安装对现场信号的采集影响较大，理论上传感器越轻、越贴近桩面、与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。所有动测均要求如此。对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心 2/3～3/4 半径处；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成 90°夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的 1/2 处。
4.3 击振方式的选择
击振信号的强弱对现场信号的采集同样影响较大，对实心桩的测试，击振点位置应选择在桩的中心。由于近年来超高建筑的修建，使得基桩的长度越来越长，桩径也越来越大，所以长大桩的测试越来越多。对长大桩测试一般应当用力棒击振，其重量大、能量大、脉冲宽、 频率低、衰减小，适宜于桩底及深部缺陷的检测，桩底及深部缺陷的信号反射较强烈。但由此很容易带来浅层缺陷和微小缺陷的误判和漏判。当根据信号发现浅层部位异常时，建议用小手锤击振，因其重量小、能量小、脉冲窄、频率高，可较准确的确定浅层缺陷的程度和位置。
4.4桩周土层的影响
在对基桩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，还受到桩周土层的弹性模量大小的影响。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。因此做到以下两点很有必要：
1） 结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。
桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。如：预制桩、人工挖孔桩不可能缩径；许多的缺陷或质量事故都发生在流水处或地层变化处；地层变化对波形也会产生影响（会产生反射波）等等。因此查看地质资料、了解施工记录对确定缺陷位置有很好的帮助。
2） 综合分析同一工程的所有被测桩。同一工程的地质和施工状况大致相同，通过寻找被测桩之间的共性，再来分析每一根桩的情况，往往能有效的提高分析效果。
4.5信号处理
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分的波滤除掉，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。对于速度计的安装谐振场振荡而言，恰当的数字滤波可以与之互补，从而延拓传感器的使用频率范围， 因此对于这种信号的数字滤波方式， 以在频域分析的基础上， 恰好滤去安装谐振场振荡的原则。可以通过比较滤波前后幅值谱曲线的方式来验证滤波恰当否，但一般来说以选择安装谐振峰左侧第一谷处频率作为低通截止频率为宜，大体上速度计的该频率不宜低于 800Hz；數字滤波也可以用于加速度计，使用原则与速度计一样，但其滤波宜在积分后进行，且不宜低于 1500Hz，数字平滑虽与滤波功能近似，但也不能完全对等，用于加速度计的积分信号较为理想，一般以正好消去高频毛刺为原则。
5、 低应变反射波法的局限性
1） 仅测出波阻抗的相对变化，可以区分缩径类与扩径类，也可以计算缺陷位置，但却不能确定缺陷性质、方位；
2） 平均波速与砼强度之间的关系无法准确给出；
3） 对长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷，低应变反射波法无法正确识别；
4） 若桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易误判。
6、 结论
低应变反射波法检测因检测工作程序简单、速度快等优势可以做为基桩质量检测的普查手段，但是由于影响检测的因素很多，往往影响对基桩检测结果的判断。因此，认真履行检测工作的每一道程序，力求把误差降到最低是低应变反射波法检测工作的重要内容。
参考文献：
[3] JGJ 79-2002,建筑地基处理技术规范[S].
[2] 李继华.漩涡钻孔灌注桩应变检测与分析[J];安徽地质;2008年02期.
[3] 林辉.吕宜媛.戴民.低应变反射波法在灌注桩桩身完整性检测中的应用[J].浙江水利科技2007年06期.
关键词：基桩检测；低应变；应力波；传感器
Abstract: the pile foundation engineering is the foundation of the whole project, it is received at the engineering circles. But the pile foundation quality is easily hidden, if not timely find defects, will give the whole project leave serious hidden danger. In this paper, combined with the basic theory of low strain reflected wave method in pile, expounds the influence factors of low strain reflection wave method testing. Pointed out the problem of signal processing, sensor installation, treatment of pile head and the need to pay attention to in the process of vibrating, points out the limitations of low strain reflected wave method in pile foundation detection work, have certain reference value to guide the engineering practice.
Keywords: detection of foundation pile; low strain; stress wave; sensor
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1、概述
低应变反射波法是基桩动测的主导方法之一。基桩质量的检测方法有很多，目前普遍采用低应变反射波法，这种检测方法以其经济性、快捷性、轻便性、无损性等优点受到广大基桩监测工作者的应用和推广。其基本原理是通过分析在桩顶处接收到的应力波信号来判断基桩质量。该方法以一维杆件波动理论及振动理论为依据,其检测可信度已被大量工程所验证。由于反射波法具有反射清晰、明了的特点，又能结合谱图对时域曲线结论进行验证性分析，故在现场为较多的检测单位采用。然而，在检测实践中，现场检测人员如果在某些细微环节方面不能引起足够的重视，尽管自始至终严格按规范检测，报告结论也准确无误，还是有可能犯错误甚至造成严重的后果。据此，笔者将从反射波法的基本原理入手向读者解释低应变反射波法检测中需要注意的一些问题。
2、 低应变反射波法的基本原理
反射波法将单桩视为一维匀质弹性体构件（桩长>>直径），当桩顶受到一较小的激振力后，产生的弹性应变以纵波形式沿桩身向下传递。由于桩顶施加的是一个激振力，土体振动的影响可忽略不计。应力波沿桩身传播的规律遵循一维波动方程，根据一维波动方程分析导出的反射波相位特征，是反射波法测试的主要依据。当桩身存在明显的波阻抗 Z 变化界面时，将产生反射和透射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗 Z 变化决定。桩身波阻抗 Z 由桩的横截面积 A、桩身材料密度ρ等决定:Z=ρCA假设在基桩中某处存在一个波阻抗变化界面，界面上部波阻抗 Z1=ρ1C1A1，上部波阻抗Z2=ρ2C2A2。
①当 Z1=Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷。
②当 Z1>Z2时，表示在相应位置存在截面缩小或砼质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致。
③当 Z1
下面是工程物探技术在建设工程施工质量控制方面应用的实例，称为桩基无损检测，是目前最为广泛的一种重要技术手段。它是根据弹性波传递速度变化来判断砼质量、桩身缺陷和缺陷的位置、桩的施工长度和桩的形状等。
图1 灌注桩常见典型缺陷
图2 桩身典型缺陷与动测波形特征
图1是桩基施工过程中常见的典型缺陷，图2是利用工程物探技术（反射波法）检测桩基质量得出的常见典型波形。其理论是根据一维波动理论导出的。它视桩为一弹性杆件，利用桩身波阻抗的变化（即桩身的波速、密度、截面积的变化）对波形的影响来分析桩身的完整性。当人工激发产生的弹性波沿桩身向下传播时，若遇到波阻抗差异界面将产生反射波。在桩身不同部位及不同缺陷类型所产生的反射波到达传感器的时间、相位是不同的。因此，根据实测曲线的特征，就可以判定桩身的完整性。
从上述图可以得出结论，根据弹性波在岩土体中的传播速度来划分地层界面的就是弹性波物探方法，不同的地层可能具有不同的力学性质,。由于弹性波速度反映的是地层的力学性质，也可能具有相同或相近的力学性质。当弹性波速度相同或相近, 两个地层紧接在一起时, 在解释上便可能出现同一速度层。出现这种情况并不可怕, 怕的是由于其它干扰波的叠加、影响造成的假判、误判, 造成解释成果出现较大的偏差。只有通过对比、验证、积累经验, 才能促进分析、解释技术水平的提高。虽然反射波法操作简便快捷、费用以及对施工要求都较低，但是波形判读较复杂，需检测人员经验丰富，桩身上部严重缺陷将掩盖下部缺陷，许多缺陷难以定量分析。物探工程师对物探资料的解释、分析是借助岩土体力学性质变化特征去认识岩土体的内在本质, 而岩土工程师是从地质学的角度、岩土体的外表特征去认识和判别岩土体的内在本质。
4、影响低应变反射波法检测的几个因素
4.1 桩头处理
若桩头处理不当，如桩头击振点不密实，传感器安装点不平，往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲或获得较宽的冲击脉冲，无法获得桩身信息。一般情况下，桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止，而且要保证平整、干净且桩头不能破碎；测试前应对击振点及传感器安装点采用剖光机打磨。
4.2 傳感器的选择与安装
在对基桩进行低应变反射波法测试时选用速度或加速度传感器。其中速度计在低频段的幅频特性和相频特性较差，在信号采集过程中，因击振激发其安装谐振频率，而产生寄生振荡，容易采集到具有振荡的波形曲线，对浅层缺陷反应不是很明显。同速度计相比，加速度计无论是在频响特性还是输出特性方面均具有巨大优势，并且它还具有高灵敏度的优点， 因此用高灵敏度加速度计测试所采集到的波形曲线，没有振荡，缺陷反应明显。所以建议在对基桩进行低应变反射波法测试时选用高灵敏度加速度计检测。传感器的安装对现场信号的采集影响较大，理论上传感器越轻、越贴近桩面、与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。所有动测均要求如此。对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心 2/3～3/4 半径处；对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成 90°夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的 1/2 处。
4.3 击振方式的选择
击振信号的强弱对现场信号的采集同样影响较大，对实心桩的测试，击振点位置应选择在桩的中心。由于近年来超高建筑的修建，使得基桩的长度越来越长，桩径也越来越大，所以长大桩的测试越来越多。对长大桩测试一般应当用力棒击振，其重量大、能量大、脉冲宽、 频率低、衰减小，适宜于桩底及深部缺陷的检测，桩底及深部缺陷的信号反射较强烈。但由此很容易带来浅层缺陷和微小缺陷的误判和漏判。当根据信号发现浅层部位异常时，建议用小手锤击振，因其重量小、能量小、脉冲窄、频率高，可较准确的确定浅层缺陷的程度和位置。
4.4桩周土层的影响
在对基桩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，还受到桩周土层的弹性模量大小的影响。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。因此做到以下两点很有必要：
1） 结合地质资料、施工记录分析基桩完整性。
桩型、施工工艺对基桩的完整性以及缺陷类型影响很大。如：预制桩、人工挖孔桩不可能缩径；许多的缺陷或质量事故都发生在流水处或地层变化处；地层变化对波形也会产生影响（会产生反射波）等等。因此查看地质资料、了解施工记录对确定缺陷位置有很好的帮助。
2） 综合分析同一工程的所有被测桩。同一工程的地质和施工状况大致相同，通过寻找被测桩之间的共性，再来分析每一根桩的情况，往往能有效的提高分析效果。
4.5信号处理
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分的波滤除掉，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。对于速度计的安装谐振场振荡而言，恰当的数字滤波可以与之互补，从而延拓传感器的使用频率范围， 因此对于这种信号的数字滤波方式， 以在频域分析的基础上， 恰好滤去安装谐振场振荡的原则。可以通过比较滤波前后幅值谱曲线的方式来验证滤波恰当否，但一般来说以选择安装谐振峰左侧第一谷处频率作为低通截止频率为宜，大体上速度计的该频率不宜低于 800Hz；數字滤波也可以用于加速度计，使用原则与速度计一样，但其滤波宜在积分后进行，且不宜低于 1500Hz，数字平滑虽与滤波功能近似，但也不能完全对等，用于加速度计的积分信号较为理想，一般以正好消去高频毛刺为原则。
5、 低应变反射波法的局限性
1） 仅测出波阻抗的相对变化，可以区分缩径类与扩径类，也可以计算缺陷位置，但却不能确定缺陷性质、方位；
2） 平均波速与砼强度之间的关系无法准确给出；
3） 对长径比超过一定限度的桩、极浅部或太小的缺陷，低应变反射波法无法正确识别；
4） 若桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易误判。
6、 结论
低应变反射波法检测因检测工作程序简单、速度快等优势可以做为基桩质量检测的普查手段，但是由于影响检测的因素很多，往往影响对基桩检测结果的判断。因此，认真履行检测工作的每一道程序，力求把误差降到最低是低应变反射波法检测工作的重要内容。
参考文献：
[3] JGJ 79-2002,建筑地基处理技术规范[S].
[2] 李继华.漩涡钻孔灌注桩应变检测与分析[J];安徽地质;2008年02期.
[3] 林辉.吕宜媛.戴民.低应变反射波法在灌注桩桩身完整性检测中的应用[J].浙江水利科技2007年06期.