[文章]：反射波法基桩质量分类方法探讨

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反射波法基桩质量分类方法探讨

前言

在基础工程中，桩基础以其承载力大、地层适应性强、施工方便、造价较低等特点，而被广泛采用。而桩基工程中又以各种形式的灌注桩为主，这不仅是因为灌注桩施工进度快、经济效益好、可比预制桩降低成本造价的1/2～1/3，而且能适应于各种地形地质条件和各种土工构筑物对基础承载力的需要，因而使用范围很广。灌注桩属地下隐蔽工程，施工工艺复杂，容易出现各种质量问题，且不容易被发现。据国内外有关统计资料表明，出现桩身各种缺陷的概率约为15%～20%，如不及时发现，将对土工构筑物、建筑物的正常使用造成隐患。因此，对基桩的质量检查是十分重要的。目前我国从事桩基动测的单位据不完全统计约有800多家，仅参加建设部组织的动测桩单位考核、取得资质证书的单位就有300多家，这是我国基桩质量检验的骨干力量，它为确保桩基工程的质量发挥了重要作用。我国《基桩低应变动力检测规程》JGJ/T93—95的发布实施，使得基桩低应变动力检测工作有据可依，也为基桩低应变动力检测报告统一编写起到良好的作用，但该规范未对反射波法基桩质量检测结果提出明确的分类，而桩身质量的评价分类是检测报告的核心问题。从最近国家建筑工程质量监督检验中心对第一批工程桩动测单位资质复查换证的工作中了解到，不少单位在对反射波法检测报告的结论意见中，对基桩的质量评判标准不一，内容各异，致使监理、设计、质检部门对检测报告成果的含义理解不同，如果我们能在检测报告中、对检验过的桩使用统一的评判标准进行分类，这对规范检测报告及报告的使用都是有好处的。对此，工程界己有这样的要求和愿望，而目前一些地方的建设主管部门已陆续考虑编制具有本地特色的桩基动测技术规程，其思路和所用术语也不尽相同。为了对基桩质量的评判依据和分类方法能有比较统一认识，便于检测、设计、施工、监理、质检部门对检测成果的使用和理解，有必要对这一问题进行深入的研究和讨论。本文旨在通过对目前一些桩基质量评价方法的了解和研究，提出应力波反射法对桩身质量的评判依据和分类方法，以便我们共同进行研究探讨。

1 桩基工程检查

桩基是广泛应用的基础形式之一。目前，我国桩基施工队伍庞杂，施工机具参差不齐，施工工艺不一，桩基施工质量不佳的现象较为普遍，如不能及时检查发现、对存在的缺陷采取补救措施，将对建筑工程留下隐患，造成不可估量的损失。为了保证桩基工程的质量和安全，必须按照桩基有关技术规范的规定进行各种检查和测试。由《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—94）中成桩质量检查的有关规定可知，灌注桩的成桩质量检查包括成孔及清孔、钢筋笼制作、混凝土搅制及灌注等三个工序过程的质量检查。对预制桩和钢桩成桩质量检查主要包括制桩、打入深度、停锤标准、桩位及垂直度检查。对于一级建筑桩基和地质条件复杂或成桩质量可靠性较低的桩基工程，应进行成桩质量检查。检查方法可采用可靠的动测法，对于大直径桩还可采用钻探取芯、预埋管超声波透射法检查。对我们检测单位来说，桩基工程的成桩质量检测内容主要是对桩的承载力与桩身结构完整性检测，前者如静载荷试验，高、低应变动测以及最近在国外逐渐使用的静动法；后者如钻探取芯、开挖检查、声波透射法及低应变动测法。该规范中还明确规定：对于一级建筑桩基和一部分二级建筑桩基，必须在工程桩施工前进行桩的静载荷试验。桩的静载荷试验的检验值是桩承载力可靠性的评定标准，是桩基工程单桩竖向极限承载力标准值的设计依据。桩的静载荷试验，在同一条件下试桩数量不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根；总桩数在50根以内的不应少于2根。况且，静载荷试验的桩，通常是在施工单位预知的情况下进行的，成桩质量都较好，它能否代表所有工程桩的基桩承载力，还不一定。特别是灌注桩，即使是使用同样的原材料、同一个施工单位施工的同一批桩，由于地层的差异、施工班组的不同，各桩的结构完整性也有差异，各桩的承载力也不尽相同，何况，少数施工单位存在着偷工减料，工作不认真的情况存在。所以，没有一定检测数量的覆盖面，即使测试方法很可靠，桩基工程质量也难以保证。用传统的静载荷试验，因费时、费工、费钱，难以选择数量较多的桩进行载荷试验。对静载荷试验所得承载力偏低的桩、也难以分辩桩身的缺陷性质和所在位置。在这种情况下，使用快速、有效的动测方法，可以弥补静载荷试验数量少、代表性差的缺点。为了贯彻“技术可靠、经济合理的”原则，在桩基工程中采用两种或两种以上检测方法是必要的。因为、每种检测方法各有特点，有它的长处，也有它的局限性。因此，在1%桩的静载荷试验基础上，辅以其它动力检测方法作为补充是必不可少的。而反射波法可对桩基工程质量进行普查，有利于整个桩基工程的质量控制，完全可以作为桩基工程成桩检查质量的一种有效方法，能为成桩质量评价提供依据。

2 基桩质量评判依据

反射波法是国内外基桩工程质量检测普遍使用的一种有效方法，它以其机理清析、测试方法简便、成果较可靠、成本低、便于对桩基工程进行普查等特点而受到工程界的欢迎，可在成桩质量检测中充分发挥作用。我国《基桩低应变动力检测规程》（JGJ/T93—95）在对反射波法的适用范围中明确指出，该法可以检测桩身混凝土的结构完整性，推定缺陷类型及其在桩身中的位置，也可对桩的混凝土强度等级作出估计。由此可见、它可为基桩工程的成桩质量的分类提供评判依据。

2.1 桩身缺陷的性质和位置的确定

将桩视为一维弹性杆件，当桩顶受到一瞬态激励施加脉冲力时，由此激发的弹性波沿桩往下传播，当遇到桩身阻抗Ｚ(Z=ρ?A?C)变化界面时，要产生反射和透射。低应变反射波法中在桩身内传播的弹性波是垂直入射和反射的。假定桩界面上段的阻抗为Z1，下段的阻抗为Z2，且不考虑桩周土阻力的影响。根据桩在界面上位移和速度的连续条件、力与应力和位移的关系，可推导出在桩身阻抗变化处的反射系数Rf关系式：

但笔者认为它只是一种定性而不能定量的方法。因为，这种入射、反射波的幅值影响因素较多，如传感器的阻尼系数、缺陷在桩身不同深度、缺陷断面的变化速率等等，都对缺陷反射波的幅值有很大影响。因此，直接用反射波法的幅值计算完整性系数，对桩进行分类是不可取的,只能对桩身缺陷程度提供参数。
桩身缺陷性质和位置是评价桩身完整性的重要依据，知道桩身缺陷的性质及严重程度，就可以分析桩身的结构强度能否承受桩上部荷载的要求；缺陷的位置对摩擦桩的承载力来说，浅部影响大，深部的影响不大，但浅部容易作接桩处理。反射波所得的桩顶速度波形曲线，对桩身阻抗变化反映敏感，对波形曲线的分析；可以判断桩身缺陷的性质、估计严重程度，同时还可以推算缺陷的位置，所以反射波法能较好的评价桩身的完整性。
桩身缺陷位置可按下式计算：

式中 ——桩头与桩身缺陷反射波到达的时间差；
Ｃ——取该工地五根以上正常桩的平均波速 。

2.2 桩身混凝土纵波波速估计混凝土强度

强度是混凝土最重要的力学性质，桩身混凝土的抗压强度，标志着桩身能承受上部竖向荷载的大小。混凝土抗压强度高，桩在同样的桩型，桩径条件下，承受上部可传递到桩底的荷载也大。按《混凝土结构设计规范》（GBJ10—89）的有关规定，按标准方法制作的、边长为150mm的立方体试件、养护28d的龄期、用标准试验方法测得的混凝土抗压强度标准值（N/mm2），以立方体抗压强度标准值划分强度等级。用符号C与立方体抗压强度标准值（以N/mm2）表示。
对于一个工程的同一批桩来说，混凝土强度高、质量好的桩，纵波的波速也高；反之，混凝土强度低、质量差的桩，波速也低。但这只是一种定性关系，因为影响砼波速的因素很多，如水泥的标号、骨料种类、颗粒大小、与水的配合比、养护条件、龄期、钢筋含量及位置等有关。如果我们事先采集混凝土试件，在室内将试件做抗压强度试验和超声波测试，就可以得到桩身混凝土强度标准值与桩身混凝土纵波波速之间的换算关系。由此，该桩基工程可以用得到的桩身纵波波速来估算桩身混凝土强度标准值。桩身混凝土纵波波速VC可以按下列公式计算：
　
式中 L——完整桩的桩长；
——完整桩桩头与桩底反射波到达的时间差。
有的桩基工程因没有室内试验条件或施工工期紧迫、来不及采集试样进行室内试验，找不到这种换算关系，这时只好参考下列混凝土强度等级与波速关系（表1）。该表是参考以往有关资料以及室内高强度混凝土C60测试的超声波波速，按0.93换算过来的。

表1 混凝土强度等级与波速关系参考表

混凝土强度等级 C15 C20 C25 C30 C40 C60
波速范围(m/s) 2300～3000 2800～3500 3300～3800 3600～4000 3900～4200 4100～4300

注：上述波速与室内试件的混凝土波速相比要低。

2.3 综合分析缺陷对承载力的影响
当我们提交桩基工程检测报告时，结构工程师最终关心的是桩基工程存在什么质量问题，对承载力的影响程度如何，桩的承载力能否满足设计要求。这样,　在桩身质量分析时、如果不考虑对基桩承载力的影响，桩身质量检测也就失去了它的实用意义。桩的承载力取决于桩身材料的结构强度和桩周摩阻力与桩端土阻力。应力波反射法的实测波形曲线不仅反映桩身阻抗的变化情况、同时也提供了桩周和桩端土阻力的有关信息。如桩平放在地表时，我们可以在反射波的波形曲线中看到多次桩底反射信号，而当桩打入土中以后、由于桩周土阻力的影响，就很难看到二个以上的桩底反射信号；在同样桩型的条件下，桩周土愈密实、桩底的反射信号愈弱，这时桩的承载力也应愈大，但这只能对桩的承载力作出定性的判断。
当检测中发现桩身存在某种缺陷时、我们也会去考虑桩身缺陷性质对承载力的影响程度。有的灌注桩，设计桩径为ф400mm,而施工后的实际桩径可能达到（450～500）mm、桩身不会很光滑平直，这时桩身某处再缩回到ф400mm时，桩顶的实测波形曲线上必然有同相的缺陷反射信号，这样的缺陷对承载力影响不大，仍可满足设计要求。而对于施工时孔壁坍塌、桩身夹泥所造成的断桩，这种缺陷对桩的承载力影响较大。桩身的缺陷位置不同、对桩承载力的影响程度明显不同，如纯摩擦桩中的断桩或严重离析发生在桩身深部，对桩的承载力影响不大；反之，在浅部，则对桩的承载力影响很大。桩身的缺陷位置对端承桩来说、在任何位置对承载力都有很大影响。所以、在基桩质量分析时、特别是波形曲线复杂时，结合地质情况和施工记录进行综合分析是十分必要的。这样，在基桩质量分析时考虑承载力的影响因素是必要的。总之，应力波反射法检验桩身质量，不能为基桩的承载力提供数据，只能作为桩基工程质量检查的手段,为桩基工程验收提供依据。

3 基桩质量的分类方法

如前所述、由于反射波法所具有的特点，它是人们所公认的桩基工程成桩质量检查的有效方法、可为基桩质量检查的分类评价提供依据；但也有它的局限性，如桩头砼松软时, 应力波不能从桩头沿桩身往桩底传播, 得不到桩底的反射信号；当桩身有二个或二个以上缺陷时、就不容易测到以后的缺陷反射信号；当桩身缺陷变化缓慢时（如扩径或缩径）,缺陷变化界面处的反射信号不明显，此时, 若桩径很快恢复到原来的桩径，反而容易造成误判; 当桩长径比大于40以上时, 就很难测到桩底反射信号，这些都应在使用中引起注意。由于反射波法所得的桩头实测波形曲线，不仅反映桩身阻抗变化情况，它还反映桩周土质变化的有关信息。这样、既为分析判断桩身质量和估计砼强度提供依据，也为桩的承载力提供参考信息。所以，我们在基桩质量评价时，应以实测波形曲线为基础，结合砼强度和地层地质情况以及施工记录的顺序进行综合分析。以分析实测波形曲线为主，判断桩身结构完整性情况，由计算的桩身砼波速与该工程正常桩波速相比是否相近、换算的砼强度是否满足工程要求，分析缺陷对承载力的影响程度。在实测波形曲线复杂的情况下、还可以采用其它动测方法进行检验，有时还要进一步进行开挖验证、声波测试、钻探取芯等措施，甚至进行静荷载试验，检验基桩是否满足承载力的设计要求。桩—土体系是十分复杂的系统，特别是目前各种动力试桩的精度还不很高、检测队伍的理论水平和实践经验也参差不齐，除了认真作好现场测试工作、采集好时域波形曲线，按有关规范的程序进行数据处理外，还需要有丰富实践经验的工程技术人员进行综合分析。 简单的分析实测波形曲线，往往不能解决复杂的桩基工程实际问题，容易漏判错判，造成工程隐患。有时即使桩身完整无缺、混凝土强度也足够，但灌注桩桩周的泥皮或桩底沉渣太厚，基桩的承载力也达不到设计要求。以上讲的对基桩质量进行评判分类的三个依据，三者虽有主次之分，但也不可偏废，只有这样才能对基桩的质量进行客观的分类，作出比较符合工程实际的评价。

　 根据基桩质量的评判依据，对基桩质量的分类评价可按下列方法进行：
　　（1）对波形规则、桩底反射波明显、波速正常的桩，桩身结构完整，可定为 I 类桩；如波速比正常值低很多，则可根据波速的差异，降低桩的类别；如桩身结构完整、砼强度也足够，但桩底沉渣太厚，其承载力也不高，可用高应变或静载荷试验进一步确定；
（2）对波形基本规则、桩底反射波可见、波速在正常范围内，桩身中虽有同相反射信号，乃为轻微缺陷所致、桩身结构基本完整，对承载力有轻微影响，可定为II类桩；如桩身为反相反射的扩径信号，则可定为I类桩；
（3）对波形规则、桩身有强烈同相多次反射波信号，按正常桩长计算波速很高，则桩身有断裂或严重缩径，可定为IV类桩；对于桩身浅部缺陷，可定为III类桩。需进行处理后使用；
（4）对于波形复杂、无桩底反射信号，一般为多处缺陷反射信号相互干扰的结果，对桩身承载力有明显的影响，一般可定为III类桩。在有条件时，可使用多种检测方法对缺陷性质和严重程度进行验证，并结合工程地质资料、施工情况等进行综合分析，以进一步确定桩的类别；
（5）对于预制桩和预应力管桩，如按正常波速计算桩长，与实际桩长相符，可定为Ⅰ类桩；若小于施工桩长时，为断裂桩，可定为IV类桩。
　 综合上述情况，可将反射波法检验桩身质量的判据及分类方法列表如下，见表2。

表2 桩身质量分类表

类 别 评 判 依 据 桩身结构特征
I类桩 波形规则，桩底反射波明显，波速在正常范围内，无影响基桩承载力的缺陷。 完 整
II类桩 波形基本规则，桩底反射波可见，波速在正常范围内，对基桩承载力有轻微影响。 基本完整
III类桩 波形信号复杂，无桩底反射波，波速偏低，对基桩承载力有较大影响。 明显缺陷
IV类桩 波形不规则或缺陷反射强烈，无桩底反射信号，波速很低，对基桩承载力有严重影响。 严重缺陷

注：I、II 类桩可用，III类桩需经处理后使用，IV类桩经处理后使用或报废。

根据上面桩身质量分类表中的评判依据，可以对检验过的桩进行分类，统计各类桩的数量及所占的百分比（%）。当检测桩中III、IV类桩的数量超过抽检数的30%时，应加倍抽检；加倍抽检后，若III、IV类桩的数量仍超过抽检数的30%时，应全数进行检测。全数检测时、可考虑其它检测方法。
桩－土体系情况十分复杂，基桩检测资料分析难度大，是一项技术性很强的工作。反射波法桩身质量检测如能按照上述的评判依据进行分类，就可以减少基桩质量检验中的错判、漏判，提高桩基工程质量检验的精确度，为桩基工程验收提供可靠依据。

ceo

感谢，我文章有利于提高我们对桩身质量精度的判别经验。

pfw

很好,谢谢!

ebo8958

乱弹琴，波速和混凝土没有直接关系，看看陈凡的《基桩检测》你就知道了，上个世纪末的时候大家对波速与混凝土质量没有很好的认识。