基于低应变反射波法的建筑工程桩基检测技术

黄健锋

（清远市建设工程质量检测站有限公司 广东清远 511500）

0 引言

桩基是将桩脚直接落在岩层上，并将建筑物的压力通过桩基传递到岩层上的过程。因此，桩基的稳定性直接决定着上层建筑物的稳定性［1］。按照施工环境，桩基可分为提前制作的桩基与现场灌注的桩基。将混凝土桩基提前制作好，并利用相关机械打入地层下方。此种形式的桩基可以节省施工材料，但是施工时间相对较长，对施工技术的要求较高［2］。灌注桩是在地面上按照深度与桩基孔径大小，钻出合适桩基的孔，并放入钢筋笼，再灌注混凝土，使其成型。此种方式的桩基适用范围较广，但是用料相对较多。

在施工过程中，施工人员可以根据建筑物实际情况，选取更合适的桩基类型。低应变反射波法是一维波动方程理论，将桩基的桩身作为基础条件，并击打桩顶，使桩顶周围产生振动，此振动信号向桩身、桩底传播，形成应力波［3］。当其传播到缺陷或桩底时，入射的应力波就会发生相应的反射现象，引起周围其他振动。应力波在从桩底传播至桩顶时，可以被传感装置接收，形成反射波。根据应力波、入射波、反射波的波形情况，即可对桩基进行综合检测［4］。因此，本文利用低应变反射波法，设计建筑工程桩基检测技术，为桩基的稳定性施工提供基础条件。

1 低应变反射波法在建筑工程桩基检测技术的应用设计

1.1 桩头浮浆处理

对于桩基而言，主要依靠桩身支撑上层建筑物的垂直压力，桩尖部分承受的力较小，适应范围较广。在桩基检测过程中，桩头的处理至关重要［5］。桩头浮浆、破损等情况，使混凝土表面无法裸露。本文使用的低应变反射波法，在检测过程中，很容易受到浮浆的影响，使波形出现较大的变化，影响桩基检测效果。浮浆处理如图1所示。

图1 浮浆处理Fig.1 Laitance Treatment

如图1所示，浮浆处理较为简单，在桩顶将浮浆凿落，并裸露出新鲜混凝土［6］。桩顶的4个顶点相应磨平处理，距离钢筋≥15 cm。混凝土破损处理如图2所示。

图2 破损处理Fig.2 Damage Treatment

如图2所示，混凝土桩顶处存在不规则面层，影响低应变反射信号的接收［7］。本文对其进行打磨处理，将不规则平面打磨光滑之后，在不存在空洞与裂缝的情况下，于桩顶处测量桩基的完整截面面积。

1.2 基于低应变反射波法的桩基缺陷位置确定

桩基的桩长普遍大于其直径，本文将其作为一维弹性体。使用低应变反射波法捶打桩基，并使其处于振动状态后，桩内各个质点发生的位移均服从虎克定律［8］。本文分别将桩长、截面积、质量密度、弹性模量分别以L、K、ρ、P表示，根据一维波动方程，得出L、K、ρ、P的计算公式如下：

式中：L为桩长波动；P为弹性模量；∂为波长；a、b、c、d为不同角度的应力波传播速度；K为截面积波动；A为应变位移；Aα为α方向应力波的应变位移；t为入射波发生反射的时刻；ρ为桩基质量密度。由此得出桩基缺陷位置的维波动方程如下：

式中：u为应力波的波动函数；m为波长。当u是m的整数倍时，桩顶与桩底在t时刻的弹性波动一致；当u=m时，桩顶会接收向下传播的入射波，并出现阻抗波动，在出现阻抗波动的区域就是桩基缺陷位置，可以保证桩基检测的效果。

1.3 桩基桩位偏差检测

确定了桩基缺陷位置之后，本文选择出合适的桩基检测传感装置。传感装置对桩基检测至关重要，是接收低应变反射信号的关键设备。选择设备刚度、强度较高的振动装置，保证入射波可以从桩顶直达桩底［9］。在检测过程中，将桩基长度、直径、混凝土强度、工程地质条件、桩基灌注记录等数据采集出来，并在桩身凝固、弹性模量＞1 的条件下，计算桩位坐标。公式如下：

式中：H为桩基桩位的横坐标；hz为桩孔偏心距；h0为桩孔初始高度；Z为桩基桩位的纵坐标；T为桩位偏差计算时刻；S为孔径装置下落深度。桩位在施工前，按照平面图的位置布设，在桩位全部施工完毕之后，对桩位坐标进行检测，如检测出的桩位偏差≤0.5 μm，即可满足桩基施工标准。

2 实例分析

2.1 工程概况

为了验证本文设计的检测技术是否具有实用价值，本文以X 建筑工程为例，对上述技术进行实例分析验证。X 建筑工程为桥梁桩基工程，桥梁全长约882.45 m，宽度约31.63 m，上、下行分离式的断面结构，使桥梁更加稳定。桥梁设计桩基共232个，桩径分别为1.20 m 与1.50 m，桩长分别为7.50 m 与28.50 m，混凝土强度等级为C25。本文利用SH-LST 基桩低应变检测仪，对X建筑工程桩基进行检测，如图3所示。

图3 SH-LST基桩低应变检测仪Fig.3 SH-LST Pile Low Strain Detector

如图3 所示，SH-LST 基桩低应变检测仪可以自动识别锤击信号，在采集桩基数据时，功耗较低，速率较高，能够灵活使用。将相关数据采集完成之后，数据会呈现在触摸显示屏上，可以适用于本次工程。选择合适的检测仪器之后，本文对桩头浮浆进行处理，破损区域进行磨平处理。由此得出桩基成孔质量情况，如表1所示。

表1 桩基成孔质量情况Tab.1 Pile Foundation Pore Forming Quality

如表1 所示，桩基孔深在22.00～24.63 m 的范围内波动，垂直度在0.01%～0.06%的范围内波动，沉渣厚度在75.89～101.05 mm 的范围内波动。由此看出，沉渣厚度与桩基孔深有关，桩基孔的深度越深，沉渣厚度越薄。而垂直度与桩基孔深、沉渣厚度均无关，桩基放入桩基孔中后，垂直度误差较小，可以保证桩基的稳定性。根据表中数据可知，桩基垂直度误差较小，垂直度检测合格。在此基础上，本文利用低应变反射波法，对桩基整体质量进行检测，如图4所示。

图4 桩基低应变反射波法波形Fig.4 Waveform of Low Strain Reflected Wave Method for Pile Foundation

如图4 所示，图中为桩基未经过处理之前的整体质量波形，其波动范围主要集中在桩基深度0～15 m、25～35 m。在桩基深度范围为0～15 m 时，波速波动范围在-0.20～0.40 m/s，主要由于桩底围岩为泥质砂岩，其波阻抗与混凝土波阻抗相似，桩底反射情况不明显，导致波形整体不规整。在桩基深度范围为25～35 m时，波速波动范围在-0.15～0.15 m/s，主要是在此范围内的砂土地层受到含水层的影响，使桩身混凝土强度降低，伪造了“相对离析”现象，导致波形不规整。经过桩基处理之后，桩基的整体波形情况如图5所示。

图5 桩基处理后的波形Fig.5 Waveform after Pile Foundation Treatment

如图5所示，经过桩基处理之后，仅在桩基深度为0～5 m 处，波速存在-0.20～0.40 m/s 的波动范围。其余5～35 m 的桩基深度处，波形均为稳定的态势，波速始终为0.00 m/s，此时桩基检测效果更佳。

2.2 应用结果

在上述条件下，本文随机选取出ZJ_1～ZJ_8 共8个桩基，将其原始桩位坐标进行计算，并与本文设计的基于低应变反射波法的建筑工程桩基检测技术，检测出的桩位坐标进行对比，应用结果如表2所示。

如表2 所示，本文随机选取的ZJ_1～ZJ_8 个桩基中，桩基桩长均为7.50 m，桩径均为1.20 m，可以保证桩基检测技术分析的准确性，桩位偏差单位为μm。本文通过式⑺计算出各个桩基的桩位原始坐标，将本文设计的基于低应变反射波法的建筑工程桩基检测技术检测出的桩位坐标与其进行对比之后，发现本文设计的检测技术检出的桩位坐标与原始桩位坐标仅相差0.01 μm 左右。其中，桩基编号ZJ_3、ZJ_7 的桩位偏差为0，与原始桩位坐标保持一致。因此，使用本文设计的检测技术，可以有效地检测出桩位坐标，检查误差较小，达到本文的研究目的。

表2 应用结果Tab.2 Application Results

3 结语

桩基是建筑工程中的关键环节，按照受力原理可以分为柱状桩与摩擦桩，可以根据建筑物实际情况选取，为建筑物提供更加符合需求的桩基施工环境［10］。由于桩基工程属于隐蔽工程，经常会受到施工条件与周围地质的因素影响，出现较多的质量问题，影响建筑物的安全施工。因此，本文首先采用低应变反射波法对浮浆进行处理，使桩基裸露出新鲜密实的混凝土面；在基于低应变反射波法对桩基缺陷位置进行确定；确定了桩基缺陷位置之后，选择出合适的桩基检测传感装置对桩基桩位的偏差进行检测，最大限度地保证桩基施工稳定性。