反射波法在桩检测上的应用

一、前言
      随着国民经济的飞速发展，我国工程建设项目日益增多，工程桩的应用越来越普及，因此基桩质量的检测越来越重要。作为基桩完整性检测的常规手段，低应变反射波法在我国有多年的发展历史并已纳入国家的规范，由于此种方法具有野外数据采集快速、方便；测试资料分析简单、精确；费用低廉等优点，因此其被众多的检测单位所采纳与使用。我通过工程实践发现这种方法在实际应用中存在许多问题应引起注意和重视，否则将对基桩完整性检测的效果产生较大的影响。            
二、低应变反射波法的基本原理
     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。安装在桩顶上的传感器，将接收到来自桩身各个波阻抗 Z 变化界面处反射上来的信息，根据这些信息，可对桩身完整性质量进行分析判断。
     桩身波阻抗 Z 由桩的横截面积 A、桩身材料密度 ρ 等决定，如式（1）。
     Z = ρ C A （1）    
    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 <Z2时，表示在相应位置存在扩径，反射波速度信号与入射波速度信号相位相反。
   当桩身存在缺陷时，根据缺陷反射波时刻与桩顶锤击触发时刻的差值△t 和桩身传播速度 C 来推算缺陷位置 Lx，入式（2）。
     Lx = △t·C / 2 （2）
三、低应变反射波法测试的建议
1、桩头的处理
       在现场信号采集工作中，桩头的处理是测试成功的第一关键，但在大多情况下，很多测试人员忽略了这一点。由于施工的原因，往往桩头部分有素混凝土（浮浆），有些测试人员忽略了对桩头的处理，直接就在素混凝土（浮浆）上进行测试，结果无论怎么改变传感器以及传感器的安装，无论怎么改变振源，测试信号都不理想，往往在测试信号的浅层部位存在较严重的反向脉冲。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，而且要尽量平整、干净（桩头不要破碎、不要有杂物、不要有水）；这可以通过随身携带凿子以凿平安装点和锤击点或委托施工方在测试前帮忙进行桩头处理，这样有利于传感器的安装和力棒的锤击。
     2、传感器的安装
     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。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。
     传感器的安装必须通过藕合剂垂直与桩面粘接。下面介绍几种较常用的藕合剂：①粘性好的黄油或凡士林：经济实用，但黄油较赃，凡士林较干净；②粘性好弹性差的橡皮泥；③牙膏：干净方便；④口香糖：用口加工后使用。传感器是否安装好，可用手指轻弹传感器侧面，若传感器纹丝不动则说明已经安装好。
     有的测试人员为了测试简便，经常不用藕合剂或少用藕合剂，致使藕合剂的作用减少或消失，导致测试信号振荡很明显，不利于对基桩的分析判断，这样是不可取的。
3、击振点及击振方式的选择
     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；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，击振点位置宜在桩壁厚的 1/2 处。
     对长大桩测试一般应当用力棒或大铁球或击振，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。但由此很容易代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，建议用小钉锤或钢筋进行击振，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。
     经常有测试人员拿把小锤去测长大桩，并反映很难测到桩底反射。按以上的原理，这样的测法是不正确的。由于小锤重量小、能量小、脉冲窄、频率高、衰减快，因此信号在桩身中传播有可能未到桩底就衰减完或即使传到桩底反射回来的信号也很微弱极难分辨。由此可见，用小锤测长大桩，并想得到桩底反射，大多数情况下是很困难的。
4、传感器的影响
     目前大多数测试人员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。所以我个人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。
5、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，还受到桩周土层的土模量大小的影响。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。
6、波形指数放大的优缺点
     在现场信号采集过程中，桩底反射信号不明显的情况经常发生，这时指数放大是非常有用的一种功能，它可以确保在桩头信号不削波的情况下，使桩底部信号得以清晰地显现出来。但有些测试人员认为它使波形失真，过分突出了桩深部的缺陷，这种观点有一定的道理，过分的指数放大甚至有可能人为地造出一个桩底反射。但是如果结合原始波形，适当地对波形进行指数放大，作为显示深部缺陷和桩底的一种手段，它还是一种非常有用的功能。
7、滤波的影响
     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。
8、对砼强度的判断
     低应变反射波法测出的波速为整桩的平均波速，其准确性依赖准确的桩长和桩底反射时间，波速与砼强度之间没有一一对应的关系，因此不能给出每根桩对应的砼强度，但是我们可以根据同一工程所有测试桩的波速平均值来估计砼强度等级。
9、联线接头及信号线的保护

    利用 RSM 系列工程动测仪和配套的速度计、加速度计可以对基桩进行低应变反射波法的测试。仪器与传感器之间通过联线进行连接，接头部位是最容易出问题的地方，无论是传感器接头、信号线接头和电源线接头，都存在硬软交接现象，一般均通过焊接、硅胶和线卡固定，承重能力和抗折拉能力较差，因此对于这些部位在加强衔接的同时，实际使用过程中，应尽量避免承重和大力折拉，转场时应用手握住传感器，如果将传感器吊在半空，极容易导致接头处脱落。信号线除重点保护接头外，自身的老化和折拉变形也会严重降低寿命和使用的可靠性，贮存和装箱时信号线不应长期处于折拉状态，也不应长期与易腐蚀物质相处，泥砂、盐碱、污渍应及时清洗，现场测试时，还应尽量避免大力牵拉和甩动信号线；为防止行人拌动，信号线接头部的前端务必固定。一旦绝缘电阻降低或接触不良以至无法使用的信号线最好弃旧购新。对于速度计而言，普通（橡胶外套含双屏蔽的）音频线可以代用。加速度计必须购买低噪声电缆线，接头也必须用专门工具安装，非常麻烦。

    正因如此，现场保护联线和接头十分重要。但在实际使用过程中，有一些检测人员忽略了对联线和接头的保护，往往造成信号线的损坏，然后自行联接信号线，并用普通电工用黑纱布进行包箍，实测结果表明，在潮湿地区它们均存在严重的干扰，拆开后发现，绝大部分被包箍的线头均存在不同程度的锈蚀，这说明普通电工纱布不能防水，因而在野外工程试验中也不能起到较好的绝缘作用。因此应该说，单纯用这类纱布包线不合适甚至适得其反的。
正确的处理办法是选用防水绝缘胶布包箍连接部位，正确的接线方式应当如下：①焊好芯线和屏蔽线，各自裹数层绝缘防水胶布。②在二线的外边，屏蔽层未达到的部位包一层锡箔纸，然后再用防水胶和黑纱布箍紧。③打结或其它办法处理，提高连接处的抗拉能力。低噪声电缆线连接更加麻烦，一般尽量不要增加中间环节，一根线捅到底最好。
10、仪器自触发、不触发的检查
     经常有测试人员反映他们的仪器（RSM—24FD 浮点工程动测仪）老是自触发，有时又不触发，认为仪器出毛病了，事后检查，仪器没有任何毛病，工作状态一切良好，那么到底应当怎样检查仪器的触发是由仪器故障还是传感器故障还是联接电缆故障造成的呢？首先谈谈传感器故障对仪器触发的影响：

①速度计用万用表测量其内阻一般在 500-600Ω 之间。当速度计内阻为 0Ω（即短路）时，仪器采样时应该不触发；当速度计内阻为无穷大（即开路）时，仪器采样时应该自触发。

②加速度计用万用表很难测量其内阻阻值。但当加速度计内阻为 0Ω（即短路）时，仪器采样时应该自触发；当加速度计内阻为无穷大（即开路）时，仪器采样时应该不触发。其次谈谈联接电缆故障对仪器触发的影响：①当速度计联接电缆中信号线短路时，仪器采样时应该不触发；当速度计联接电缆中信号线断开时，仪器采样时应该自触发。

②当加速度计联接电缆中信号线短路时，仪器采样时应该自触发；当加速度计联接电缆中信号线断开时，仪器采样时应该不触发。那么当仪器出现自触发或不触发现象时，我们首先应将传感器及其联接电缆联接到其它的相应通道上测试，看是否有同样的现象发生，若没有同样的现象发生则表示前面那个通道出现问题，此时按 RSM 动测仪说明书上的联接图，量一量六合一接头联线相应通道的两根信号线是否通断或是否短路开路，若联线有问题可修理六合一接头联线或另购一根，若联线没有问题则表示仪器相应通道出现故障。若接到其它的相应通道上测试，仍出现同样的现象，则有可能是传感器及其联接电缆出现故障，也有可能是仪器的几个通道都出现故障，按上面介绍的方法用万用表对传感器及其联接电缆进行测试，若有问题则对传感器及其联接电缆进行修理或另购，此时最好用一正常的传感器及联接电缆对仪器测试一下；若传感器及其联接电缆没有问题，则表示仪器的所有通道都出现故障，必须进行修理。
四、低应变反射波法的局限性与改进分析方法
     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、缺陷程度的定量分析很难达到理想效果，目前只能将缺陷程度定性给出。
3、平均波速与砼强度之间的关系无法准确给出。
4、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测量。高频信号传不下去，测试范围有限，低频信号分辨率不够，容易漏判缺陷等等。
5、若桩身存在多个缺陷时，深部缺陷容易误判。
     为了准确分析桩身缺陷，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、利用定量分析软件对基桩缺陷程度的判定。虽然定量分析软件本身存在一些不足，但它分析了应力波在桩身传播的详细过程，只要桩周土的参数选择合理，它的作用远远大于我们凭肉眼对波形缺陷程度的判断。
3、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。有时仅仅分析一根桩，而不对整个工程的情况进行了解，很容易产生判断错误。
五、结束语
     低应变反射波法检测以其测点多、经济、便捷等优点，应用十分普遍，但也存在着缺点和不足。对低应变反射波法检测有问题的桩，建议再利用其他的检测方法进行测试。