中图分类号：TU473.1

Analysis and Reflection on Low Strain Integrity in Model Piles

PengZhuang

Abstract：The waveform of low-strain reflected wave method is collected for the model pile with various types of defects and low strain. Combined with the defect location, defect type and defect severity of the model pile, the waveform characteristics of low-strain transmitted wave and the defect characteristics of the model pile are compared and studied, so as to verify the understanding of the theory of low-strain reflected wave method, Some blind areas of low-strain reflected wave method in pile integrity detection are revealed.

Key words：Low-strain integrity testing, reflected wave method, pile integrity, model pile, One dimensional wave theory

1 引言

地基基础是各种建构筑物的根基，是建构筑物安全的首要保证，确保建构筑物安全的首要任务就是确保地基基础工程的施工质量。随着社会的进步和使用要求的提高，楼层和荷载不断增加，桩基础逐渐成为建构筑物重要的基础形式，而且桩基础都是隐蔽在地下且无法进行直观检查，采用科学手段进行施工质量检查尤为重要。低应变反射波法是最为简便快捷、成本低廉且相对准确的基桩完整性无损检测手段，是对建构筑物基桩施工质量进行普查的一种重要方法。本文采用符合一维线弹性杆件模型的尼龙棒作为模型桩来人为制作模拟桩身缺陷，从而验证和对比分析反射波法理论，为更好地认识和应用反射波理论提供参考。

2 低应变反射波法基本原理和时域分析判定方法

低应变反射波法是通过采用力锤等瞬态激振设备竖向敲击杆顶，形成应力波在一维线弹性杆中向下传播，遇到阻抗变化形成反射波，通过传感器实测杆顶加速度或速度响应时域曲线，并采用一维波动理论分析来判定基桩的桩身完整性的方法。

基桩检测一维波动理论应符合以下基本假定：桩身为一维连续均质线弹性体，即材料均匀、等截面，变截面中横截面保持为平面且彼此平行；不考虑桩周土的影响；不考虑桩土耦合面的影响。假设一材质均匀、截面恒定的弹性杆，长度为L，截面积为A，弹性模量为E，质量密度为ρ，取杆轴向为x轴。若杆变形时平截面假设成立，受轴向力F作用，将沿杆轴向产生位移u、质点运动速度v和应变ε，这些动力学和运动学量只是x和时间t的函数。取弹性杆x处的单元dx，如果u为的位移，则考虑x+dx处x处的位移变化及单元dx在新位置上的长度变化量，根据胡克定律和牛顿第二定律列出微分方程，并合并整理可得出反射波法一维波动方程，式中定义为位移、速度、应变即应力波在杆中的纵向传播速度（弹性波速）。

取桩身某段作为一个分析单元，定义广义波阻抗Z=ρcA，其中A为桩身截面面积、ρ为桩身材料密度，c为弹性波速。当桩身几何尺寸或材料物理性质在波阻抗界面发生变化时，相应的ρ、c、A发生变化，界面前后的波阻抗比值n（n=Z₁/Z₂=ρ₁c₁A₁/ρ₂c₂A₂）也发生变化。根据应力波在介质中传播的连续条件和牛顿第三定律可得应力波在介质中传播的反射系数F=(1-n)/(1+n)和透射系数T=2/(1+n)，质点速度v_R=-Fv_I、v_T=nTv_I，应力σ_R=Fσ_I、σ_T=Tσ_I。

分析界面阻抗变化对各参数的影响可知：

①阻抗近似不变，即Z₁≈Z₂,则n≈1，F=0，T=1，应力波全部透射，无反射信号，该处反射波形无突变。当桩身均质完整无缺陷时即为该类型，当桩底岩石与桩身混凝土阻抗接近时也属于该类型，此时无法测得桩底反射信号。

②阻抗减小，即Z₁>Z₂,则n>1，F<0，T<1，在界面产生反射的上行拉力波，v_R与v_I符号一致，上行拉力波与下行压力波符号相同，该处产生同相低阻抗反射波。桩身缩径、离析、夹泥、疏松、裂纹等引起桩身阻抗变小的缺陷都属于该类型。特别地，当阻抗无限减小，如自由端，Z1>>Z2,则n→∞，F=-1，T=0，应力波无透射，且v_R=v_I，σ_R=-σ_I，原下行入射压力波反射为上行拉力波，在界面处入射波和反射波叠加使力幅度为0，而入射波和反射波分别引起的质点运动速度在界面处叠加使速度加倍，该处产生2倍波幅的同相低阻抗反射波。

③阻抗增大，即Z₁<Z₂,则n<1，F>0，T>0，应力波在界面产生反射上行压力波（上行压力波与下行压力波符号相反），该处产生反相高阻抗反射波。桩身扩径、密度增大或局部与桩周岩土层结合较好等引起桩身阻抗变大属于该类型。特别地，当阻抗无限增大，如刚性固定端，Z1<<Z2,则n→0，F=1，T=2，且vR=-vI，σR=σI，在界面处入射波和反射波叠加使力幅度增加一倍，而入射波和反射波分别引起的质点运动速度在界面处叠加使速度为0。

3 低应变模型桩的制作

一维线弹性杆模型是低应变法的理论基础，完整模型桩制作的材料选取应满足材质均匀、等截面、线弹性、长径比不小于10的长杆件等假设条件。基于模型桩缺陷制作的准确性和难易程度，尼龙棒是比较理想的材料。市面上的尼龙棒有PA6、PA66、PE、PTFE等不同材料型号，其弹性模量和质量密度各不相同，故其弹性波速也各不相同。本次共计选取13根不同型号尼龙棒，尼龙棒直径55mm，长度约为1m，在制作缺陷前先作为完整模型桩测其弹性波速，实测波速870m/s~1750m/s，其中PTFE材料尼龙棒实测平均波速最低。在进行完整模型桩低应变反射波法采集后，按照设计缺陷进行模型桩缺陷加工，主要的缺陷类型是不同深度、不同长度和不同程度的缩径，以及渐变截面和扩径等，缺陷加工委托五金加工车间使用车床等设备制作完成。

4 模型桩实测波形曲线对比分析

4.1完整桩波形及桩周土的影响

    在实际工程检测中经常会发现无法检测到桩底反射的现象，这种情况可能是桩身缺陷所致，但更可能的还是桩周土约束桩土刚度和阻抗匹配的影响。5#模型桩为完整桩，分别在未打入土、半打入土、全打入土的工况进行低应变反射波形采集。未打入土工况下即作为桩端自由时采集的波形桩底反射波幅度约为入射波的2倍，入射波后没有明显负向脉冲，与前述理论推导分析吻合。为研究桩周土对桩底反射的影响，将该桩打入未完成自重固结黏土，并在打入过程中进行采集。当桩长约一半打入黏土时，桩底反射波幅度较打入前桩端自由时降低约3/4，入射波后出现轻微负向脉冲；当近全部桩长打入黏土时，桩底反射波幅度进一步明显降低，入射波后出现明显负向脉冲。桩周土阻力的作用能使应力波能量衰减和消散，使桩底反射和缺陷反射趋于不明显，从而相对增加分析和判断的难度。

4.2不同深度的缺陷

桩顶浅部是低应变反射波法的盲区之一。由于靠近桩顶部分受近距离锤击影响形成的是半球面波,其传播不满足平面假定，且受仪器设备分辨率和采样间隔所限，浅部缺陷往往难以发现。如10#模型桩（顶部以下210mm缩径至31mm，缩径处长度30mm）波形，缺陷低阻抗反射波与入射波叠加，使入射波下降沿改变原有下降趋势在缺陷反射波处产生台阶，改变了入射波形态，应判定为浅部缺陷。工程检测中需谨慎辨别类似浅部缺陷波形，采用高频激振或小采样间隔来提高分辨力，慎用低频滤波滤除入射波台阶凸起等不连续成分，结合经验分析方能避免错判漏判。

当缺陷在桩端部时，缺陷反射波可能与桩底反射波叠加产生如图1b的11#模型桩（桩端部掏空直径40mm长度150mm）波形，缺陷低阻抗反射波与桩底反射波叠加，其在桩底反射处同样产生台阶，应判定缺陷。当缺陷更小或靠桩端更近，则桩端部处缺陷反射波可能与桩底反射波峰叠加难以发现。需要指出的是，根据比较各模型桩波形分析低阻抗反射波处所在位置与实际设定缺陷所在位置可以发现，分析所得缺陷位置均比实际缺陷位置要浅，并非严格对应，也就是说实际缺陷位置还在分析缺陷位置以下，在工程检测判定尤其是开挖验证等情况时应注意该问题。  

图1a  10#模型桩波形           图1b  Z11#模型桩波形

4.3不同程度的缺陷

1#模型桩缺陷为顶部以下350mm缩径至45mm，缩径处长度30mm，缩径处截面面积约为原截面面积的2/3；2#模型桩缺陷为顶部以下410mm缩径至39mm，缩径处长度30mm，缩径处截面面积约为原截面面积的1/2；4#模型桩缺陷为顶部以下250mm缩径至31mm，缩径处长度30mm，缩径处截面面积约为原截面面积的1/3；3#模型桩缺陷为顶部以下600mm缩径至39mm，缩径直至底部。比较1#、2#、4#该3根模型桩及采集的波形，其缺陷处截面面积分别依次缩小为原截面面积的2/3、1/2和1/3，对应缺陷程度分别依次更严重，与实测波形基本吻合，实测波形缺陷处低阻抗反射波幅度随着缺陷横向尺寸增加而逐渐变大。2#、3#该2根模型桩缺陷处截面面积相同，缺陷长度增大，则在开始缩径处的低阻抗反射幅度随着缺陷长度增加而增大。由此可见，桩身缺陷的横向截面尺寸、径向缺陷长度以及不同类型缺陷严重程度等均影响低应变反射波法检测波形曲线的缺陷低阻抗反射信号幅度，工程桩的桩身缺陷和完整性情况可以在检测波形曲线上得到较为真实有效的反映。实际工程桩由于受桩周土阻抗和桩端嵌固阻抗匹配的影响，缺陷低阻抗反射信号会有削弱和衰减。在工程桩检测中，可以参考模型桩缺陷所呈现的低阻抗反射幅度来估计缺陷严重程度，但也需要根据不同的桩型和不同的地质情况等进行综合分析。  

 5、结语

低应变反射波法因其具有简捷、快速、使用的特点被广泛应用于基桩质量桩身完整性普查中，也是现行规范普遍推荐的基桩完整性检测手段，但在工程应用中需要结合工程实际情况和经验进行合理分析和运用。低应变反射波法一维波动理论有很多基本假设条件，加之该方法本身的局限性以及仪器设备和传感器性能限制，使得低应变反射波法在理想的模型桩的分析判断可能尚会存在文中的一些问题，在实际的工程检测中更是不可避免的存在一些盲区，如浅部缺陷、底部缺陷、渐变缺陷以及桩周土阻抗匹配造成缺陷反射无法准确明晰地检出等。模型桩可以为检测人员波形分析和认识提供参考，但实际工程中现场地质条件复杂，桩身缺陷类型各异，仅根据低应变反射波法一维波动理论对桩身缺陷进行定量判定仍具有局限性，应该在实践中不断总结经验，结合桩型、施工工艺和地质条件等因素进行，通过比对试验或工程类比积累对工程桩缺陷的在反射波法波形上反应的认识，来综合判定桩身缺陷位置和程度。

参考文献：

【1】JGJ106-2014《建筑基桩检测技术规范》[S]

【2】罗骐先、王五平主编.《桩基工程检测手册》（第三版）[M]. 北京：人民交通出版社，2010

【3】杨永波主编.《地基基础工程检测技术》[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2019