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1、工程桩低应变反射波时程曲线解析 主主 讲讲 赵竹占赵竹占2003.12 2003.12 Photo by BauerPile Quality: Always like this?2001GRLs Messy Art2001GRLs Messy ArtOr also like that?What to do? Integrity TestingSonic Pulse Echo; Transient Response (PIT)Sonic Pulse Echo; Transient Response (PIT)Small hammer impact deviceAccelerometer meas
2、ures response(defect)方法原理方法原理 反射波法是以应力波在桩身中的传播特征为理论基础，当应力波在假反射波法是以应力波在桩身中的传播特征为理论基础，当应力波在假定的一维均质杆件（桩）中传播时，其纵向的振动微分方程为：定的一维均质杆件（桩）中传播时，其纵向的振动微分方程为：方法原理方法原理由波阵面动量守恒条件：由波阵面动量守恒条件：方法原理方法原理方法原理方法原理反射系数反射系数 透射系数透射系数 方法原理方法原理当桩底为支承桩，胶结良好，波阻抗近似不变时，当桩底为支承桩，胶结良好，波阻抗近似不变时， 时，由，可知 应力波为全透射，无反射信号，一般看不到桩底反射。但先决条应力
3、波为全透射，无反射信号，一般看不到桩底反射。但先决条件是激振的能量充分影响到桩底情况下。件是激振的能量充分影响到桩底情况下。则则方法原理方法原理 当界面上从高阻抗进入低阻抗时（当界面上从高阻抗进入低阻抗时（ ），如磨擦桩的桩底、断裂、），如磨擦桩的桩底、断裂、 离析、缩径等缺陷。离析、缩径等缺陷。 ，则 ， ， 由由式可知式可知 与与 异号，下行的异号，下行的压缩波，上行的拉力波，由波，上行的拉力波，由式可知式可知 与与 符号一致，反射波与入射波同相。符号一致，反射波与入射波同相。 方法原理方法原理 当界面上从低阻抗进入高阻抗时当界面上从低阻抗进入高阻抗时 ，如，如扩径径桩或嵌入高阻抗的或嵌入
4、高阻抗的嵌岩嵌岩桩，此，此时由于由于 则 ，由，由，式可知式可知 与与 同号，反射同号，反射应力同入射的力同入射的压缩波，而波，而 与与 相反，反射波与入射波反相。相反，反射波与入射波反相。 曲线解析曲线解析 一、完整桩一、完整桩 一般完整桩在时程曲线上的反应： 对于摩擦桩和嵌岩桩表现有三种情况：桩底反射与初始入射波同相；桩底反射不明显,以及桩底反射与初始入射波先反相后同相。 如图所示： 图图1：该状径该状径.377mm，桩长桩长8m的振动沉管桩，设计砼强度等级的振动沉管桩，设计砼强度等级C25,设计承载力为设计承载力为600KN,经测试后桩底反射明显经测试后桩底反射明显,Vp值为值为3400
5、m/s,经静荷载试验加载经静荷载试验加载1216KN时时,桩累计沉降量为桩累计沉降量为7.63mm,卸载后桩顶回弹量为卸载后桩顶回弹量为2.74mm,桩的残佘沉降为桩的残佘沉降为4.62mm，属完整桩。属完整桩。图1 完整桩波形图 图图2：该桩为桩径：该桩为桩径1000m m，桩长桩长30.3m钻孔桩，桩身完整钻孔桩，桩身完整,波速在波速在3700m/s,砼设计强度砼设计强度C30,在在8m以前以前曲线下降曲线下降,为粉砂土较好地层反应为粉砂土较好地层反应,桩底反射与入射同相桩底反射与入射同相,桩底反射明显桩底反射明显.图2 完整桩波形图 图图3：该桩为桥梁桩，：该桩为桥梁桩，800mm，桩长
6、桩长25.5m。 桩身完整桩身完整,波速在波速在3500-3600m/s，砼设砼设计强度计强度C30，在在m后曲线下降，为粉砂土较好地层反应后曲线下降，为粉砂土较好地层反应,桩底反射与入射同相，桩底反映明显。桩底反射与入射同相，桩底反映明显。 图3 完整桩波形图 图图4：该该桩桩设设计计桩桩径径1200mm, 长长53m,C25,进进入入中中风风化化，二二桩桩桩桩身身完完整整，桩桩底底反反射射明明显显。0-4号号Vp=3598m/s,桩桩底底呈呈同同相相反反射射，有有沉沉渣渣; 0-7号号桩桩Vp=3549m/s, 桩桩底底呈呈反反相相反反射射，嵌岩较好。嵌岩较好。 图4 完整桩波形图 图图5
7、 5：该桩径：该桩径14001400mmmm，桩长桩长2626m m钻孔桩，桩身完整，钻孔桩，桩身完整，2323m m处为砂卵石层，孔壁坍塌，造成扩径，处为砂卵石层，孔壁坍塌，造成扩径， 呈反向反射，但未见桩低反射呈反向反射，但未见桩低反射，下图曲线在图曲线在2323m m呈反相扩径，並可见呈反相扩径，並可见2626m m处桩底反射。处桩底反射。 波速波速=3400-3500m/s=3400-3500m/s。图5 完整桩波形图 图图6：该桩径：该桩径1000mm，桩长桩长34m钻孔桩，桩土作用在时域波形中有明显反映，钻孔桩，桩土作用在时域波形中有明显反映，0-13m为为 粉质黏土，粉质黏土，1
8、3-31m为淤质黏土，为淤质黏土，31-32m含砾黏土，含砾黏土，32-33.5m强风化，强风化，33.5m以上以上 中风化。曲线完整中风化。曲线完整,桩底反相桩底反相,说明嵌岩良好说明嵌岩良好图6 完整桩波形图 图图7：该桩径：该桩径1200mm,桩长桩长26m，砼强度砼强度C25。桩尖持力于微风化安山粉岩桩尖持力于微风化安山粉岩2m，距桩头距桩头10-20m的地层较好，曲线上抬，桩底反射与入射波呈同相，说明有沉渣，波速在的地层较好，曲线上抬，桩底反射与入射波呈同相，说明有沉渣，波速在3500m/s，其桩身完整。其桩身完整。图7 完整桩波形图曲线解析曲线解析二、缩径桩二、缩径桩 缩径桩在时程
9、曲线上的反映比较规则，缩径部位的缺陷呈先同相后反相，或仅见到同相反射的信号，视严重程度，可能有多次反射，此类缺陷桩一般可见桩底信号。如图所示： 图图8 8：该桩径为：该桩径为10001000mmmm，桩长桩长5656m m钻孔桩，地质条件为钻孔桩，地质条件为2020m m上部为粉砂，下部为淤泥。从曲上部为粉砂，下部为淤泥。从曲线分析线分析4 4m m左右扩径，左右扩径，19.519.5m m左右缩径和地层界面的综合反映。经取芯岩性在左右缩径和地层界面的综合反映。经取芯岩性在1919m m处取得岩性一侧处取得岩性一侧夹泥，是缩径致。夹泥，是缩径致。图8 缩径桩波形图 图图9：该桩径：该桩径426
10、mm，桩长桩长18m沉管桩。钢筋笼长沉管桩。钢筋笼长6m，设计承载力标准值设计承载力标准值320kN,经测试经测试:桩身桩身6.5-7m处存在缩径或局部离析，其原因成桩时拔管太快所致，说明钢筋笼底部存在缺陷，但处存在缩径或局部离析，其原因成桩时拔管太快所致，说明钢筋笼底部存在缺陷，但桩底基本可见，属桩底基本可见，属类桩。类桩。图9 缩径桩波形图 图图10：该桩径：该桩径600mm，桩长桩长19.2m钻孔桩。桩头有约钻孔桩。桩头有约4m护筒，直径护筒，直径1.0m，在护筒底部在护筒底部有有800mm缩径明显，并在缩径明显，并在5m处扩径，可见处扩径，可见2次反射，桩底反射明显，计算次反射，桩底反
11、射明显，计算Vp3650m/s判判别属于正常完整别属于正常完整类桩。类桩。图10 缩径桩波形图 图图11：该桩径：该桩径1500mm，桩长桩长44.5m钻孔桩。桩设计混凝土强度钻孔桩。桩设计混凝土强度C25,测试时发生在测试时发生在2m处同处同向子波反射幅值高于初至波，并有后继的多次反射，解释人员误认为传感器黏结引起的正常向子波反射幅值高于初至波，并有后继的多次反射，解释人员误认为传感器黏结引起的正常振荡而判为振荡而判为类，经证实在类，经证实在2.2m左右桩身严重缺陷（夹泥），应属于左右桩身严重缺陷（夹泥），应属于类，后凿去桩头缺类，后凿去桩头缺陷上部段，重新接桩。陷上部段，重新接桩。 图11
12、 夹泥桩波形图 图图12：该桩径：该桩径800mm，桩长桩长33m钻孔桩。设计强度钻孔桩。设计强度C25,通长钢筋笼，初测在通长钢筋笼，初测在60-90公公分处有较强同相反射分处有较强同相反射,经开挖在经开挖在60-80cm处细粉砂夹泥，范围占桩径处细粉砂夹泥，范围占桩径1/2，开凿后再复测，波，开凿后再复测，波形正常形正常,桩完整。桩完整。图12 缩径桩波形图曲线解析曲线解析三、三、 扩径桩扩径桩 扩径桩在曲线上反射波形较为规则，扩径处的反射子波呈反相，或先反相后续同相，也可能有多次反射，一般情况看到桩底反射。如图所示： 图图13：下图桩径为：下图桩径为377mm，桩长桩长8.5m夯扩桩。设
13、计夯扩桩。设计C25，设计极限承设计极限承载力载力900KN，经测试经测试52号桩底曲线无反相显示，表明夯扩无效，经静压承载力为号桩底曲线无反相显示，表明夯扩无效，经静压承载力为480KN; ;7号桩桩底反相不相显，表明夯扩欠佳，经静压极限承载力号桩桩底反相不相显，表明夯扩欠佳，经静压极限承载力760KN; ;10号桩号桩底呈反相，说明夯扩较好，静压极限承载力底呈反相，说明夯扩较好，静压极限承载力950KN。 图13 扩径桩波形图 图图14：该桩径：该桩径1000mm，桩长桩长26m，混凝土强度混凝土强度C25,R3-2桩：波形规则桩：波形规则,可见桩底反射可见桩底反射,为为I类桩类桩,但对但
14、对R3-1 桩测试桩测试,发现在发现在17m左右严重扩径左右严重扩径,约约20m处有同相反射处有同相反射(似桩底似桩底)，见不到桩，见不到桩底反射底反射,经了解查实经了解查实,钻孔至钻孔至18m时，因发现塌孔无法钻进，施工单位把测绳剪去时，因发现塌孔无法钻进，施工单位把测绳剪去6m通过验深，通过验深，使验孔深时末发现使验孔深时末发现,被动测查出被动测查出,定为定为III类类. 图14 扩径桩波形图 图图1515：该桩径：该桩径12001200mmmm，桩长桩长18.318.3m m，桩强度桩强度C25。在灌注桩成桩过程中由于孔口偏位校正而使在灌注桩成桩过程中由于孔口偏位校正而使桩浅部扩大造成扩
15、径。实际灌入混凝土桩浅部扩大造成扩径。实际灌入混凝土33m3。（。（ 设计仅设计仅22m3）。充盈系数为充盈系数为1.5。从测试波形。从测试波形可见可见2-5m严重扩径。并出现多次反射。取芯验证桩身完整砼强度滿足设计要求。严重扩径。并出现多次反射。取芯验证桩身完整砼强度滿足设计要求。图15 扩径桩波形图曲线解析曲线解析四、四、 离析桩离析桩 由于离析部位的混凝土松散，对应力波能呈吸收较大，形成的缺陷子波不规则后续信号杂乱，而且频率较低，波速偏小，一般不易见到桩底反射。如图所示： 图图1616：钢筋：钢筋20122012，在灌注到在灌注到7 7m m时因缺水泥停灌时因缺水泥停灌1212h h，后
16、经处理重灌至设计标高后经处理重灌至设计标高。采用二台仪器动测均在采用二台仪器动测均在3.053.05msms处（处（4.84.8m m）有明显同向反射有明显同向反射, ,伴有二次反射伴有二次反射, ,经抽芯经抽芯5 5m m处离析。处离析。图16 离析桩波形图 图图1717：该桩在距桩顶该桩在距桩顶3m处扩径，处扩径，6m处为扩径的二次反射并叠加有桩身缺陷，充盈处为扩径的二次反射并叠加有桩身缺陷，充盈系数达系数达1.24,地质资料该处为软塑及流塑亚粘土分界面，经取芯地质资料该处为软塑及流塑亚粘土分界面，经取芯:桩中心部采取率低，二桩中心部采取率低，二侧钻孔采取率达侧钻孔采取率达90%。图17
17、离析桩波形图 图图1818：该桩径：该桩径10001000mmmm，护筒护筒1.21.2m m，h=2.0mh=2.0m，桩长桩长4545m m，设计设计C30C30，在测试中发现在测试中发现14.814.8msms处明显呈低处明显呈低 频同相反射，属离析反映，经监理反映在该处。由于事故，导管无法拔出拆频同相反射，属离析反映，经监理反映在该处。由于事故，导管无法拔出拆断，另下断，另下导管灌注（停工半天）形成离析面。桩底无法见得，经钻二孔均存在离析面，导管灌注（停工半天）形成离析面。桩底无法见得，经钻二孔均存在离析面，后高压注浆处理。后高压注浆处理。图18 离析桩波形图 图图19：桩径：桩径12
18、00mm，桩长桩长22.5m，冲抓桩测试在冲抓桩测试在4m左右扩径，自左右扩径，自7m后呈低频振荡，后呈低频振荡，判为离析，桩底无反应，经取芯后证实在判为离析，桩底无反应，经取芯后证实在7.5m-10.4m胶结不良，取芯率胶结不良，取芯率7.5-8.5m为为30%，8.5-10.4m为为53%，其它部位均密实，后采用二孔高压注浆处理。，其它部位均密实，后采用二孔高压注浆处理。图19 离析桩波形图曲线解析曲线解析五、五、 断裂桩断裂桩 由于在断裂处波阻抗的突变，故形成以下三种情况：上部断裂往往呈高频多次同相反射、反射波频率值较高，衰减较慢；中部断裂反映为多次同相反射，缺陷的反射波幅值较低；而深部
19、断裂波形，类似摩擦桩桩底反射，但算得的波速明显高于正常桩的波速。如图所示： 图图2020：桩为预制空芯管桩，采用锺击式，桩长：桩为预制空芯管桩，采用锺击式，桩长1010m m。设计承载力设计承载力350350kNkN，测试后发现测试后发现1 1m m左右左右有明显的同向反射，并呈多次，判为断裂（有明显的同向反射，并呈多次，判为断裂（类），经开挖桩身完整，再次了解该桩头类），经开挖桩身完整，再次了解该桩头1.2 1.2 m m深进行灌注实芯混凝土深进行灌注实芯混凝土, ,下部为空芯下部为空芯, ,子波多次反射属截面积（子波多次反射属截面积（A A）的突变引起波阻抗的突变引起波阻抗( (.C.A)
20、.C.A)变化。应为类桩，而下图的管桩头部无混凝土灌注，波形变化。应为类桩，而下图的管桩头部无混凝土灌注，波形呈完整形。呈完整形。图20 断裂桩波形图 图图21：该该桩桩径径700mm,桩桩长长54.9m,砼砼强强度度C25，由由于于地地下下室室开开挖挖，造造成成部部分分桩桩断断裂裂,桩桩头头倾倾斜，经测试曲线呈等距多次同桐反射，经开挖在斜，经测试曲线呈等距多次同桐反射，经开挖在1.6m处裂，曲线呈多次同相等距反射。处裂，曲线呈多次同相等距反射。 图21 断裂桩波形图 图图22：码头均采用打入预制桩：码头均采用打入预制桩.该桩为该桩为0.50.5的预制桩，的预制桩，强度强度c45,桩头离海底入
21、桩头离海底入土距离土距离13m,原测试为完稳桩原测试为完稳桩,后被油船碰撞致使桩头偏位后被油船碰撞致使桩头偏位1m多多,经重复测试在经重复测试在14m处有强同相反射处有强同相反射,同时虽多次反射同时虽多次反射,故判故判类断桩。类断桩。图22 断裂桩波形图 图图23：某某在在建建造造水水泥泥储储窑窑圆圆形形桩桩基基础础（96根根桩桩），桩桩径径800mm，桩桩长长30m钻钻孔孔桩桩。测测试试发发现现西西北北角角10根根桩桩动动测测波波形形2.8ms(5m左左右右)呈呈多多次次反反射射，开开挖挖见见4.8-5.0m处处断断，原因为成桩原因为成桩20天时北侧堆土造成土体挤压剪切造成断桩。天时北侧堆土
22、造成土体挤压剪切造成断桩。 图23 断裂桩波形图 图图2424：该桩径：该桩径377377mmmm，桩长桩长1616m m沉管桩。桩设计沉管桩。桩设计C20C20，钢筋笼长度钢筋笼长度4.54.5m m，承载力承载力450450KnKn，经测试在经测试在1.41.4m m处有强的同向多次反射，衰减慢，无桩底反射，判为处有强的同向多次反射，衰减慢，无桩底反射，判为2.82.8m m处断，处断，后开挖后开挖2.852.85m m处断裂。属机械开挖是受损之故。处断裂。属机械开挖是受损之故。 图24 断裂桩波形图曲线解析曲线解析六、六、脱脱焊虚虚焊等不良等不良焊接接桩桩 预制桩和管桩的焊接质量及成桩时
23、由于受损造成焊接处表现为有同相反射，严重时难以见到下部位较大的缺陷或桩底反射。如图所示： 图图2525：该桩为：该桩为PHCPHC管桩，桩外径管桩，桩外径600600mmmm，壁厚壁厚1010cmcm，桩长桩长5454m m（10+10+10+11+1210+10+10+11+12），），在在5.09ms处有同向反射，判为处有同向反射，判为11m处，说明第一节打裂，焊接点脱焊。处，说明第一节打裂，焊接点脱焊。 图25 脱焊桩波形图 图图26：下下图图在在9.72ms处处有有明明显显的的同同相相反反射射，9.724250221m处处，说说明第一节完好，第二节由于打桩使焊接点打脱裂，造成同相反射，
24、下部无信号。明第一节完好，第二节由于打桩使焊接点打脱裂，造成同相反射，下部无信号。图26 脱焊桩波形图曲线解析曲线解析七、七、钢筋筋笼长度度 有时为了监理或业主的要求，对混凝土桩的钢筋笼长度需要测试和验证，桩中的钢筋笼长度检测波形如下图： 图图27：该桩砼强度：该桩砼强度C25,桩长桩长18m,要求对钢筋笼长度进行要求对钢筋笼长度进行 检测检测,经测试经测试t=2.25ms，算得钢筋长度算得钢筋长度5.7m，实际钢筋长度为实际钢筋长度为6m，误差误差5%。图27 桩钢筋长测试波形图 图图28：桩桩为为桩桩内内钢钢筋筋笼笼长长度度是是否否达达到到设设计计要要求求（46m= 24m）进进行行测测试
25、试，室室内内测测得得钢钢筋筋Vp5050m/s，实实地地测测得得单单钢钢筋筋多多次次反反射射，时时间间为为等等距距t7.15ms，求求得得钢钢筋筋笼笼长长度度为为L50507.1510-32=18.05m。图28 桩钢筋长度测试波形图曲线解析曲线解析八、桩头疏松八、桩头疏松 桩头浮浆或强度偏低的桩，测试结果无法反映桩的完整性，曲线反应为入射波峰较低而且脉冲较缓，而且后续波形呈低频，此类现象均属桩头强度偏低。如图所示： 图图29：该桩径：该桩径1200mm，桩长桩长45m，桩设计混凝土强度等级为桩设计混凝土强度等级为C25,经测经测试发现曲线呈低频振荡试发现曲线呈低频振荡，其应力波在桩头开始无按
26、一维杆件的传播特征其应力波在桩头开始无按一维杆件的传播特征,判为桩判为桩头浅部强度低或局部离柝头浅部强度低或局部离柝，经取芯验证经取芯验证，0-1m岩芯松散岩芯松散，1-2.7m岩芯有岩芯有气孔气孔,强度低强度低,2.7m以后岩芯强度达到要求以后岩芯强度达到要求，芯样完整。芯样完整。图29 桩头疏松波形图 图图30：该桩径：该桩径800mm，桩长桩长33m钻孔桩。设计混凝土强度钻孔桩。设计混凝土强度C25，通长钢筋通长钢筋笼笼.初测时桩头疏松初测时桩头疏松，曲线呈低频型曲线呈低频型.明显反映为弹性波传播呈慢速，经开凿桩头明显反映为弹性波传播呈慢速，经开凿桩头松散松散,凿去凿去1-2m后后，再进
27、行复测桩身完整再进行复测桩身完整，曲线正常曲线正常，为，为类桩。类桩。 图30 桩头疏松波形图 结束语结束语 基桩的低应变动力检测及对资料的分析是一门诊断学科，它在分析桩身应力波传播特征的基础上结合地质条件，施工工艺等多种因素，判断其完整性和质量类别。其各环节均十分重要。特别应做到：1、重视工程桩现场检测的每个环节：如桩头的处理、传感器的安置、激发点的位置、激发材质及能量，激发脉冲宽度，以及仪器参数的科学设置等等。n2、重视地层、地质环境特别是软硬地层界面对应力波传波的影响所引起的子波叠加，以避免不必要的误判。n3、重视了解施工情况,包报施工机械、打桩程序、施工记录的分析，对施工中的混凝土充盈系数，灌注时间、钢筋笼规格，拔管速度，以及预制桩节头焊接工艺、最终压力值、锤击数等均应仔细的分析。 综上所述：只有取得真实工程桩的应力波传播的特征曲线并结合各种因素来综合判断得出真实的科学结论，才是一个测试工作者的应有的素质。
