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桩基低应变反射和声波透射的检测原理与过程分析
摘要：低应变反射检测方法和声波透射检测方法是建筑工程施工中桩基完整性检测的常用方法，而且检测效果非常显著。本文主要探讨以上两种检测方法在工程施工桩基完整性的检测中的应用情况。全文从低应变反射检测方法和声波透射检测方法的检测原理谈起，然后分别就桩基低应变反射和声波透射的检测过程进行分析。
关键词：低应变反射；声波透射；检测原理；检测过程
abstract: the low strain reflection detection method and ultrasonic testing method are the common pile integrity testing methods in the building engineering construction, and the detection effect is very obvious. this paper mainly discusses the above two kinds detection methods application in the construction pile integrity detection. the full text from the low strain reflection detection method and ultrasonic testing method detecting principle mentioned, and then separately analyzes their test processes.
key words: low strain reflection; ultrasonic wave; detection principles; detection process
中图分类号：o644 文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012）
1、低应变反射检测方法和声波透射检测方法的检测原理
1.1桩基低应变反射的检测原理
桩基低应变动力检测反射波法的基本原理是将桩身假定为一维弹性杆件，并假定桩远远大于直径，通过桩顶锤击力的作用，会在一维弹性杆件上产生一个压缩波，该波沿桩身向下传播。当桩身存在明显波阻抗z变化的截面将产生透射波和反射波，反射的幅值和相位大小由波阻抗z的变化来决定。桩的横截面积a、桩身材料密度ρ等决定桩身波阻抗z的值，即z=。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=，上部波阻抗 =。
首先，当=时，表示桩截面均匀，无缺陷；其次，当>时，表示在相应位置存在缩径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；再次，当<时，表示在相应位置存在扩径，反射波与入射波速度信号相位相反；最后，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=△t·c/2。
1.2声波透射检测方法的检测原理
超声波透射法检测桩基结构完整性的基本原理如下：首先，由超声脉冲发射源在砼内激发高频弹性脉冲波，并由精度较高的脉冲波信号接收系统将脉冲波在砼内传播过程中表现的波动特性进行有效的记录；当砼内存在界面破损或脉冲波不连续的问题时，在相关的问题界面处就会形成波阻抗界面，脉冲波到达该界面时，就容易产生波的反射和透射问题，从而削信号接收系统所接收到的透射波的能量；另外，当砼内存在有蜂窝、松散、孔洞等严重缺陷问题时，将产生波的绕射和散射现象；然后根据波的波的能量衰减特性、初至到达时间和频率变化以及波形畸变程度等特征，可以获得检测范围区域内砼的密实度参数。通过记录和测试不同高度和不同侧面上的超声波动特征，经过处理分析就能判别检测范围区域内部存在缺陷的大小、性质以及空间位置。在基桩施工前，根据桩直径的大小预埋一定数量的声测管。每两根声测管为一组测试对象，通过水的耦合，将超声脉冲信号从一根声测管中发射出去，然后由另一根声测管进行信号接受，并由超声仪测定有关参数并采集存储。并由桩底同步往上提升，不断重复以上操作，进而使检测遍及整个桩基截面，完成对桩基结构的完整性检测。
2、桩基低应变反射检测过程分析
2.1现场检测流程说明
大致流程是用力锤对桩顶作瞬态激振，以产生脉冲应力波，由设置在桩顶的加速度传感器接收入射波和反射波信号，该信号经电荷放大后，经桩基分析系统处理，根据反射波的时差，相位和幅值即可判断桩身的缺陷位置、类型及程度。在现场检测时需要注意如下几点：
第一、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。
第二、对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4的半径处；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一半位置处。
第三、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°的夹角，击振点位置宜在桩壁厚的一半位置处。
第四、被检测桩均被凿去浮浆及破损部分，露出新鲜密实的混凝土；每根桩布置2～4个检测点，每个检测点记录的有效信号数均大于3。
2.2检测判断标准
如下图所示，波速计算： 式中，c为桩身材料的一维应力波纵波波速（m/s），简称波速；l为测点下桩的长度（m）；δt为桩底反射波峰值与入射波峰值的时刻差（s）；δf为幅值谱上完整桩相邻峰值间的频率差（hz）。被检工程的桩身材料平均波速值为5根以上完整桩的波速平均值。
结合以上计算公式，可以对桩基结构的完整性类别做如下划分：
a.ⅰ类桩
桩身的结构完整。桩底反射波到达前，无同相反射波发生，实测波速在合理范围内，桩底反射合理。
b.ⅱ 类桩
桩身结构基本完整，稍微存在一些缺陷。实测波速在合理范围之内，桩底反射基本合理，受缺陷反射波的影响较小。
c.ⅲ 类桩
完整性较ⅱ类较差，一般存在明显的缺陷，宜采用声波透射法或钻芯法等其它相关方法进行相关处理。ⅲ 类桩的波列比较复杂，且桩底反射信号不是十分合理。提供桩长计算的波速明显偏离同类完整桩的平均波速，尽管有较为明显的桩底反射，但反射波却与入射波相位相同。
d.ⅳ 类桩
由于该类桩身结构的完整性存在严重的缺陷，该类桩一般不能使用。而且该类桩基的桩底看不到反射。
3、声波透射检测过程分析
3.1 仪器设备
检测仪器设备采用武汉岩海rs-st01d(p)数字超声仪，包括双孔换能器、孔口深度滑轮。数据自动连续采集。
3.2 检测标准
试验执行中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》jgj 106-2003。本次测试每5cm一个测点，特此说明。
3.3 资料分析及基桩质量评判
桩身缺陷，以声速临界值、波幅临界值以及psd判据进行综合判定；桩身均匀性按声速离散系数cv分为a、b、c、d四级，见下表。

根据桩身混凝土的均匀性，是否存在缺陷及缺陷的严重程度,将桩身的完整性按四类划分：ⅰ类桩：桩身完整；ⅱ类桩：桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥；ⅲ类桩：桩身存在明显缺陷，对桩身结构承载力有影响；ⅳ类桩：桩身存在严重缺陷。
3.4 检测结果
声波透射法桩身质量完整性检测结果见下表，本项目共检测3根工程桩，其中ⅰ类桩3根，占所测桩数的100%；未发现ⅱ类、ⅲ类、ⅳ类桩。
4、结 语
建筑工程施工中的桩基低应变完整性检测和声波透射完整性检测是近年来市政、公路工程中桥梁桩基检测的常用方法，而且检测的精确度较高。相应随着新技术在以上两种检测方法中的不断应用，相应它们在桩基结构的完整性检测中将会得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]孙光乾．超声波透射法在混凝土灌注桩检测中的应用[j]．科技情报开发与经济，2008（10）．
[2]屈彦玲．钻孔灌注桩的超声波透射法检测[j]．山西建筑，2007（22）．
[3]张雄彪，低应变完整性检测和声波透射完整性检测的工作原理及方法浅析，工程技术[j]，2009（12）.
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。