低应变反射波法

低应变反射波法是基桩检测中应用最广泛的方法，也称瞬态动测法、锤击法等。该方法仪器设备轻便，测试方便，解释直观，工作效率高。方法主要用于基桩的完整性，桩身缺陷程度及位置，有效桩长等。

1.方法基本原理

埋设于地下的桩的长度要远大于基桩直径，因此，可将其简化为有侧限约束的一维d性杆件，在桩顶初始扰力作用下产生的应力波沿桩身向下传播，并且满足一维波动方程:

环境与工程地球物理勘探

式中:μ(x，t)为某一时刻x方向质点的位移(m)vP为桩身材料的纵波波速(m/s)。

d性波沿桩身传播过程中，在桩身夹泥，离析、扩颈、缩颈、断裂、桩端等桩身阻抗变化处将会发生反射和透射，用记录仪记录下反射波在桩身中传播的波形，通过对反射波曲线特征的分析即可对桩身的完整性、缺陷的位置进行判定，并对桩身混凝土强度进行评估。

如图2－62所示，为小手锤在桩头施加一冲击力f(t)，桩将产生纵向振动而产生应力波，波沿桩身传播至桩底部分能量反射回桩顶。若在桩中遇到波阻抗界面时，将产生反射波，如图2－63示，其反射系数为

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式中:A1、A2为桩身截面积ρ1、ρ2为介质密度v1、v2为波速R为反射系数。这里是以广义的波阻抗Aρv替代波阻抗ρv，它取决于波阻抗的差异和截面积的变化。

图2－62 低应变反射法示意图

图2－63 应变波的反射与透射

利用安置在桩顶部的拾震器接收初始信号、桩身缺陷和桩底产生的反射波信号，通过仪器进行处理和分析，结合地质资料对桩的完整性和混凝土质量作出评价。

2.基桩完整性的分析与判别

(1)完整桩

完整桩一般指桩身混凝土胶结良好，均匀连续，抗压强度达到设计要求的桩。它只存在一个桩底波阻抗界面。由图2－64可看出，A1ρ1v1>A2ρ2v2，所以R<0，根据入射波和反射波速度量的相位关系为同向，体现在U(t)曲线上信号为同向叠加，如图2－65所示，其波形特征为一衰减振动曲线，衰减快，桩底反射波明显，分辨率高。由图分析可得一次反射波旅行时为t，桩长为l，则平均速度为

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t可以从时程曲线上读得，若知vc或l中任一个，便可求解。若二者均未知时，常利用统计的方法或其他实验的方法假定vc或根据施工记录来假定l，以求得近似解。

图2－64 桩身完好

图2－65 完好桩实测波形

(2)缺陷桩

当桩间存在缺陷，如断裂、夹层、空洞、缩颈或扩颈时，缺陷部位的应力波传播速度v、密度ρ或截面积A与桩身完好部位都有所不同，即存在波阻抗差异。当应力波遇到波阻抗差异界面时，将会产生反射。若根据这时的反射时间计算整桩的波速，则其结果将大于完整桩时的波速。如图2－66所示，桩身在l1处断开，Z2相当于充气或充泥的波阻抗，反射系数R<0，曲线中主要反映了l1处多次反射波，而桩底反射不清。图2－67表示在l1处桩产生扩颈，应力波在l1处反射系数R>0，入射波和反射波为反向叠加，从时程曲线不难确定扩颈和桩底位置。

图2－66 缺陷桩——断裂

图2－67 缺陷桩———扩颈

若桩身存在缺陷，缺陷位反向时间为t1，则可根据式(2－56)，计算基桩缺陷位置:

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(3)根据桩d性波速度评价桩的质量

众所周知，基桩的波速与桩身混凝土的密实程度有关。致密的桩身，其波的传播速度大，松散的桩身，其波速则小。

对动测桩身质量分类评价，是根据不同工程和不同类型的基桩检测和静荷载资料对比，可从两个方向分类评价———桩身完整性和混凝土质量:①桩身完整性包括完好桩、微缩扩颈、严重缩颈、大面积离析、断桩等可以根据动测波型特征判断②混凝土质量则可以根据动测桩的波速进行评价。对灌注柱采用下表2－1所列波速进行分类判别。

表2－1 波速与桩基质量关系表

低应变反射波法的主要功能是检验桩身结构的完整性，如桩身缺陷位置判断、施工桩长校对和混凝土强度等级定性估计等。用手锤或力锤、力棒敲击桩顶，由此产生的应力波沿桩身以波速C向下传播，应力波通过桩阻抗z(Z：AC)变化界面时(如缩径、夹异物、混凝土离析或扩径)，一部分应力波产生反射向上传播，另一部分应力波产生透射向下传播至桩端，在桩端处又产生反射。由安装在桩顶的加速度或速度传感器，接收反射波信号，并由测桩仪进行信号放大等处理后，得到加速度时程曲线。从曲线形态特征可以判断阻抗变化位置或校核桩长，由平均波速大小估计混凝土的强度等级。混凝土的速度C及桩身缺陷的深度L可按下列公式计算：C=2L/ΔT (1)L'=1/2CmΔtx (2)式中：L--测点下桩长，m；ΔT--速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差；Δtx--速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差；Cm--桩身波速的平均值，m/s。

随着我国国民经济与工程建设的快速发展，基桩检测作为隐蔽工程验收的重要环节，对保证整个工程建设的安全稳定起着十分重要的作用。在各种检测方法中，反射波法目前应用最广泛、使用最便捷，理论与实践发展也比较成熟，有比较先进的仪器设备及应用分析软件。但是总体而言，基桩检测技术在我国的应用发展时间不长，许多测试方法不仅理论上不够完善，实际应用中也存在一些问题。反射波法虽然发展较快，应用广泛，但同样存在问题和缺点（局限性），同时因其简便快捷、成本低廉，目前有忽视其缺点和适用范围而走向泛滥的趋势。

反射波法是低应变测定混凝土桩桩身完整性的一种检测方法，其经过多年的研究、应用及发展，该项技术已经逐渐走向成熟，事实证明它是一种准确可靠、经济快捷的检测手段。

近年来，随着深层搅拌桩在软土地区的广泛应用，工程上迫切需要一种能够对此搅拌桩桩身质量进行快速有效地分析与评估的检测手段。但是长期以来，对搅拌桩桩身质量的检测往往只能依赖于钻孔取芯或开挖取样等方法，这些方法尽管直接可靠，但由于其时间长、成本高，所以很难对大批量的搅拌桩进行综合质量评估，其结果也就难免以偏概全。

因此，能否将应用于混凝土桩身质量评价的反射波法成功地应用于搅拌桩，已经成为桩基动测界中一个迫切需要研究及解决的课题。在国内，到目前为止，反射波法搅拌桩桩身质量还处于探索阶段，尽管有许多学者与同行进行过相关的研究，但是由于所检测的对象具有相当的复杂性（地质环境差异、桩身材料的非严格均匀性、桩周介质阻抗与桩身介质阻抗差异小、施工工艺的差异、测试现场条件的差异），其准确性与可靠性还有待进一步提高与完善。

1 反射波法的理论基础与可行性分析

1.1基本原理

基桩低应变动力检测反射波法的基本原理是在桩身顶部进行竖向激振，d性波沿着桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接受放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身完整性及估计混凝土强度等级。还可根据视波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。

1.2低应变反射波法检测桩体完整性的可行性分析

反射波法是建立在一维波动理论的基础上的。假设桩为质地均匀、各向同性的一维线d性体（桩的长度远大于直径，且入射波波长λ大于桩的直径），当用手锤在桩顶敲击时，产生的应力波在桩身传播满足一维波动方程，对于水泥搅拌桩的假设设定如下：（1）水泥搅拌桩是否可视为一维杆件。（2）水泥搅拌桩桩身材料是否可视为d性材料。（3）水泥搅拌桩桩身波阻抗是否可以被识别。

从目前工程上的应用来看，水泥搅拌桩桩径多为50cm，桩长多为8m以上，长径比一般在16以上，符合桩长远大于桩径的理论条件，桩体可视为一维杆件。

水泥搅拌桩是由水泥就地与地基土充分搅拌硬化而成，水泥土在受力初期，应力与应变关系基本上符合虎克定律。可视为d性材料。

与混凝土灌注桩相比，尽管水泥搅拌桩桩身波阻抗明显要小，但目前大量的工程试验资料证明，水泥搅拌桩桩身抗压强度可达1.2MPa以上（425＃水泥，喷灰量50kg/m，龄期90d），其抗压强度远大于桩周土强度，基本符合-维波动方程的理论假设。对实际工程桩的检测也表明，一维压缩波在水泥搅拌桩桩身以内的入射、透射、反射特征清晰。

基于以上分析，反射波法检测水泥搅拌桩的桩身质量是可行的。

从该种方法的实际应用与可靠性分析来看：

与检测混凝土灌注桩相比，反射波法检测水泥搅拌桩有着其自身的特殊性。

首先是检测时确定检测龄期的问题。统计资料表明，到28d龄期时，水泥土的强度为设计强度的60%左右，到90d龄期时才能达到设计要求。从检测效果的角度出发，龄期越长，强度越高，检测效果越好。如果过早地进行检测，水泥土尚未完全硬化，水泥土的波阻抗与桩周土的波阻抗较为接近，则不满足一维波动方程的理论假设。或由于锺击时，因为桩身整体强度不高，形成波形的低频震荡，导致无法进行有效的分析与判断。因此建议水泥搅拌桩最佳的检测龄期为28d以后。

其次由于水泥土无粗骨料，d性波在水泥土内部传递时，介质散射引起的衰减较小，而介质吸收产生的衰减较大。为了取得良好的检测效果，应尽可能破除桩顶松散层，打磨各测点，并选择合适的振源，一般尼龙锤具有较好的指向性和穿透力。为减少d性波的损失，应采用如黄油、凡士林一类的胶状或浆状物质作耦合剂。

最后，选择合理的波速成为一次成功检测的关键，反射波测出的实际有效桩长：

L=tc/2

式中：t-d性波由桩顶传至桩底、经反射后传至桩顶的时间（由仪器测定）；

c-d性波在桩身内传播的波速，m/s。

因此，波速的选择直接影响到实测桩长与缺陷位置判断的准确性。波速选择的越合理，越具代表性，实测桩长的误差就越小，反射波法检测的可靠性就越高。

经过大量的实践证明，只要选择合理，处理得当，在满足一定的条件下，完全可以利用反射波法检测水泥搅拌桩的桩身完整性。

2 反射波法检测水泥搅拌不确定因素与局限性

尽管反射波法检测水泥搅拌性有着快速、可靠等诸多优点，但仍有其一定的局限性。

首先，经验波速随着龄期、强度、水泥含量、土样含水量变化存在着明显的不确定性，造成经验波速范围波动过大，直接造成检测结果误差增大。而为取得有代表性的经验波速，在工程桩同期打试桩，既不太可能也不太实际。所以这还得通过今后不断的积累和完善，建立起一套完整的经验波速与各影响因素的相关数据库，才能真正使反射波法检测水泥搅拌桩走向应用。

其次，反射波法应用的对象应是一d性的均匀体，而目前落后的施工工艺造成的桩身不均匀性，也制约着反射波法检测水泥搅拌桩的应用。有时因搅拌不充分造成的水泥层状、片状分布将会令反射波法很难甚至无法分析。

3 反射波法检测水泥搅拌的检测步骤

在检测中使用PIT-V型基桩动测仪，该仪器采用的加速度型传感器，横向灵敏度低，只有锤击到一个有效脉冲时，传感器才会记录一个信号，数据传输到现场接收计算机进行储存。

锤击力量太大或太小都不产生能被记录的脉冲。激振产生的波动模式单一，只含纵波，可以得到清晰的底部反射。具体的检测步骤如下：（1）清理整平桩头；（2）调试仪器，选择适当参数；（3）将加速度传感器垂直安放在桩头的平整部位；（4）用小棰在桩头选择适当的能量激振；（5）选取较为理想的波形曲线并存储；（6）将数据传输至计算机，对记录曲线进行分析、计算，并评价桩身质量。

结束语

总之，应用基桩低应变动力检测法检测桩基础的成桩质量简变、快捷可以在较短的时间内完成大量而且复杂的的工作，是微波电子检测技术与电子计算机技术在土建工程实际应用取得良好效果的又一典范。值得在日后工程大力推广应用。同时，反射波法检测水泥搅拌桩的桩身质量目前还处于探索、发展阶段。反射波法在一定条件下可以对水泥搅拌桩的质量进行检测，但还需综合采用其它一些方法如取芯、载荷试验等对桩身进行综合评价。

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