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摘要： 介绍了低应变反射波法的基本原理，论述了实际操作中低应变反射波波速取值的数据处理和准确判别的方法，避免出现误判、漏判的关键要素。
关键词：低应变；检测技术； 反射波； 桩基础；
1 概述
在我国建筑事业的快速发展过程中， 因桩基的诸多优点而在城市高层建筑、铁路、桥梁、码头等大型工程中被广泛使用。同时因桩基工程本身的隐蔽性，以及受基础与桩土体系相互作用、岩土工程条件、结构设计、施工过程和施工质量等各种因素的影响，使我们如何快速准确地对它的质量检测成了一个难题。因此，要保障桩基工程的安全和质量，如何获得准确、可靠的桩基检测结果就成了一个重要环节。而桩基动测技术作为目前广泛应用的一项检测技术，有效地促进了桩基工程的发展，但因桩动力检测理论与实际操作过程中遇到条件不一定完全一致，因此对测试的曲线的判定和处理就成了一个值得研究的课题。
2 低应变反射波法桩基动力检测
桩基动力检测是指在桩顶施加一个动态激振力，桩土系统在动态力的作用下产生弹性波沿桩身传播，通过配有高灵敏度的桩基动测分析系统对桩身因激振力产生的微小位移、速度、加速度及弹性波的波形特征分析，来判断桩身结构的完整性和推断单桩的承载力。我国对桩基动测技术非常重视，投入了不少的资源并取得可喜的成果。桩基动力检测具有经济、便捷、适于普及等优点，这极大地促进了桩基动测技术的研究和应用。桩基动力检测技术包括低应变法和高应变法。通过在桩上的产生微小的弹性变形来进行测量的方法称作低应变法； 当用在桩顶上的作用力较大， 直接测得的打击力与设计的最大承载值相当时， 这种方法叫高应变法。目前低应变法的种类较多，主要有机械阻抗法、应力波反射法、球击法、动力参数法和水电效应法等。高应变法主要有史密斯法（E.A.L.SMITH）、凯斯法（CASE）、锤击贯入法、打桩公式法、波形拟合法和动静法等。低应变动力测桩是采用低能量激振使桩在弹性范围内作小幅振动，依据波动理论判断桩身缺陷。低应变反射波法检测桩身完整性非常有效。一般桩身缺陷类型主要包括：缩径、扩径、离析、断裂、胶结不好以及桩底浮渣较多等低应变法都可以较准确地测定。它检测速度快，准确度高。
2.1 低应变发射波法的基本原理
低应变反射波法是我国桩基动测技术中被广泛推广和应用的一种方法。它的基本原理是基于一维杆的波动理论，将桩等价于一维杆，在桩顶初始扰力作用下产生的应力波沿桩身向下传播，并且满足一维波动方程：
式中：u—s方向位移；
c—桩身材料的纵波速度。
弹性波沿桩身传播过程中遇到密度、截面积变化时波阻抗将发生变化而产生反射与透射，通过桩基动测分析系统即可对波的特性进行分析，并判别出桩身是否有缺陷或者完整。
桩身混凝土纵波波速计算公式：
式中：C—桩身纵波平均波速（m/s）；
L—桩身（m）；
△T—桩底反射波到达时间（ms）。
桩身缺陷位置按下式计算：
式中：X—缺陷位置（m）；
C—桩身波速（m/s）；
△tx—第一峰与缺陷反射波间的时间差（ms）。
工程桩完整性采用低应变反射波法，时域信号记录的时间段长度应在2L/C时刻后延续不少于5ms；幅频信号分析的频率范围上限不应小于2000Hz，激振点为桩心，传感器安装点距桩中心2/3半径处，根据桩径大小，桩心对称布置2-4个检测点；每个检测点记录有效信号数不少于3个。采样时间间隔根据桩长、桩身波速合理选择，一般3060μs。传感器安装与桩顶面垂直，用有足够强度的耦合剂粘结。激振通过对桩身敲击试验，选择合适大小的激振力和锤垫，宜用宽脉冲获得桩底或桩身下部缺陷反射回来的信号，用窄脉冲获取桩身上部缺陷反射回来的信号。
2.2检测仪器设备
检测仪器为武汉中科智创研制的RSM-PRT（T）智能工程基桩完整性测试仪，传感器均为与本机兼容的高灵敏加速度传感器，以上仪器设备均经湖南省计量测试技术研究院进行定期检验和标定。
2.3 测桩前的准备工作
（1）测试前收集桩基资料信息：主要包括该工程的成桩日期、桩长、桩径、成桩工艺（保证桩身达到龄期，否则测试结果会有很大偏差）、砼强度等。通过搜集的资料分析可能出现缺陷的部位。
（2）敲击桩头，检查施工质量状况， 如桩头是否潮湿、夹层、桩头疏松、含有泥浆等现象。清除桩头松散、破损部分及其它各种杂物。确保桩头表面平整、干净、坚硬
2.4测试数据及结论
2.4.1数据分析
随机抽取所测50根桩的数据（见桩基检测数据表1），对实测波形计算、分析可知，时域信号特征：2L/c时刻前无缺陷反射波信号，有桩底反射波信号；振幅信号特征：桩底谐振峰排列间距基本相等，其相邻频差△f≈c/2L。可得出如下结论：
（1）所检50根桩，任选5根Ⅰ类桩（1#、10#、22#、30#、50#）计算桩身内纵波平均波速为4178米/秒。
（2）所检50根桩，均为Ⅰ类桩（桩身完整）。
随机抽取的5个桩基检测数据表1
序号 桩号 桩长（m） 桩径（mm） 波速（m/s） 桩身完整性 等级
1 1 14.0 1000 4186 桩身完整 I
2 10 14.0 1000 4196 桩身完整 I
3 22 13.8 1000 4184 桩身完整 I
4 30 14.5 1200 4187 桩身完整 I
5 50 12.9 1000 4180 桩身完整 I
备注：本报告中所指桩长为检测时的混凝土长度不是结算桩长或孔深。
抽取的3个桩基低应变完整性测试波形图
3、低应变反射波法桩基测量的几个建议
（1）、桩头
传感器安装前桩头的清理工作是十分重要的。要清除桩头破碎、松软的部分及其它各种杂物，保证桩面的平整、干净，同时保证传感器的正确地安装，且在检测时不受其它各种因素的影响。
（2）、传感器
传感器是基桩检测的关键部分，它的各种参数如频响特征、阻尼大小、灵敏度和动态范围对实测波形的影响非常大。反射波法对传感器要求较高，要求传感器的量程和动态范围要足够宽、灵敏度高、余振短，保证它要有良好的阻尼特性。其次，必须选择好粘结剂，使传感器与基桩得到较好地耦合。常用的粘结剂有石膏粉、橡皮泥等。在这些粘结剂中，石膏粉粘结的耦合频率较高，其他几种较低。当桩头较湿时，采用石膏粉效果更好。
使用手锤或力棒时，应避免二次冲击的干扰， 在敲击桩顶时应掌握好敲击的力度，不应损坏桩顶， 防止信号畸变。测量前，击锤人员应进行相关标准训练，熟练掌握敲击的力度、垂直度等操作要领。
（3）、信号的采集
先根据前期收集的资料整个桩身质量作总体评估。再在桩身布置多个检测点（信号采集点），然后每个检测点进行多次数据采集（至少3次），保证检测数据的有效性。在先前评估或实际检测过程中有问题的地方要进行多次重复测试，进行对比分析，这样既可以保证检测的速度，又可以检测的质量。
（4）、浅部缺陷的识别最关键的是如何分辨“盲区”范围的缺陷。需要注意的事项包括：首先激振点和传感器的安装点要避开钢筋笼的主筋影响；其次通过采取提高激振脉冲波的频率，保证应力波有效到达盲区，以此来提高分辨率。
4 结语
目前，低应变检测技术已经在各种桩基检测工程中得到了普遍的推广和应用， 取得了一定的社会效益和经济效益。反射波法对桩身质量的检测是一个综合技术的检测过程，不是简单的敲击、对波形的过程，不能按部就班，死套规范，遇到异常波形要综合分析，搜集资料，在测试中不断积累经验，避免误判和漏判。
关键词：低应变；检测技术； 反射波； 桩基础；
1 概述
在我国建筑事业的快速发展过程中， 因桩基的诸多优点而在城市高层建筑、铁路、桥梁、码头等大型工程中被广泛使用。同时因桩基工程本身的隐蔽性，以及受基础与桩土体系相互作用、岩土工程条件、结构设计、施工过程和施工质量等各种因素的影响，使我们如何快速准确地对它的质量检测成了一个难题。因此，要保障桩基工程的安全和质量，如何获得准确、可靠的桩基检测结果就成了一个重要环节。而桩基动测技术作为目前广泛应用的一项检测技术，有效地促进了桩基工程的发展，但因桩动力检测理论与实际操作过程中遇到条件不一定完全一致，因此对测试的曲线的判定和处理就成了一个值得研究的课题。
2 低应变反射波法桩基动力检测
桩基动力检测是指在桩顶施加一个动态激振力，桩土系统在动态力的作用下产生弹性波沿桩身传播，通过配有高灵敏度的桩基动测分析系统对桩身因激振力产生的微小位移、速度、加速度及弹性波的波形特征分析，来判断桩身结构的完整性和推断单桩的承载力。我国对桩基动测技术非常重视，投入了不少的资源并取得可喜的成果。桩基动力检测具有经济、便捷、适于普及等优点，这极大地促进了桩基动测技术的研究和应用。桩基动力检测技术包括低应变法和高应变法。通过在桩上的产生微小的弹性变形来进行测量的方法称作低应变法； 当用在桩顶上的作用力较大， 直接测得的打击力与设计的最大承载值相当时， 这种方法叫高应变法。目前低应变法的种类较多，主要有机械阻抗法、应力波反射法、球击法、动力参数法和水电效应法等。高应变法主要有史密斯法（E.A.L.SMITH）、凯斯法（CASE）、锤击贯入法、打桩公式法、波形拟合法和动静法等。低应变动力测桩是采用低能量激振使桩在弹性范围内作小幅振动，依据波动理论判断桩身缺陷。低应变反射波法检测桩身完整性非常有效。一般桩身缺陷类型主要包括：缩径、扩径、离析、断裂、胶结不好以及桩底浮渣较多等低应变法都可以较准确地测定。它检测速度快，准确度高。
2.1 低应变发射波法的基本原理
低应变反射波法是我国桩基动测技术中被广泛推广和应用的一种方法。它的基本原理是基于一维杆的波动理论，将桩等价于一维杆，在桩顶初始扰力作用下产生的应力波沿桩身向下传播，并且满足一维波动方程：
式中：u—s方向位移；
c—桩身材料的纵波速度。
弹性波沿桩身传播过程中遇到密度、截面积变化时波阻抗将发生变化而产生反射与透射，通过桩基动测分析系统即可对波的特性进行分析，并判别出桩身是否有缺陷或者完整。
桩身混凝土纵波波速计算公式：
式中：C—桩身纵波平均波速（m/s）；
L—桩身（m）；
△T—桩底反射波到达时间（ms）。
桩身缺陷位置按下式计算：
式中：X—缺陷位置（m）；
C—桩身波速（m/s）；
△tx—第一峰与缺陷反射波间的时间差（ms）。
工程桩完整性采用低应变反射波法，时域信号记录的时间段长度应在2L/C时刻后延续不少于5ms；幅频信号分析的频率范围上限不应小于2000Hz，激振点为桩心，传感器安装点距桩中心2/3半径处，根据桩径大小，桩心对称布置2-4个检测点；每个检测点记录有效信号数不少于3个。采样时间间隔根据桩长、桩身波速合理选择，一般3060μs。传感器安装与桩顶面垂直，用有足够强度的耦合剂粘结。激振通过对桩身敲击试验，选择合适大小的激振力和锤垫，宜用宽脉冲获得桩底或桩身下部缺陷反射回来的信号，用窄脉冲获取桩身上部缺陷反射回来的信号。
2.2检测仪器设备
检测仪器为武汉中科智创研制的RSM-PRT（T）智能工程基桩完整性测试仪，传感器均为与本机兼容的高灵敏加速度传感器，以上仪器设备均经湖南省计量测试技术研究院进行定期检验和标定。
2.3 测桩前的准备工作
（1）测试前收集桩基资料信息：主要包括该工程的成桩日期、桩长、桩径、成桩工艺（保证桩身达到龄期，否则测试结果会有很大偏差）、砼强度等。通过搜集的资料分析可能出现缺陷的部位。
（2）敲击桩头，检查施工质量状况， 如桩头是否潮湿、夹层、桩头疏松、含有泥浆等现象。清除桩头松散、破损部分及其它各种杂物。确保桩头表面平整、干净、坚硬
2.4测试数据及结论
2.4.1数据分析
随机抽取所测50根桩的数据（见桩基检测数据表1），对实测波形计算、分析可知，时域信号特征：2L/c时刻前无缺陷反射波信号，有桩底反射波信号；振幅信号特征：桩底谐振峰排列间距基本相等，其相邻频差△f≈c/2L。可得出如下结论：
（1）所检50根桩，任选5根Ⅰ类桩（1#、10#、22#、30#、50#）计算桩身内纵波平均波速为4178米/秒。
（2）所检50根桩，均为Ⅰ类桩（桩身完整）。
随机抽取的5个桩基检测数据表1
序号 桩号 桩长（m） 桩径（mm） 波速（m/s） 桩身完整性 等级
1 1 14.0 1000 4186 桩身完整 I
2 10 14.0 1000 4196 桩身完整 I
3 22 13.8 1000 4184 桩身完整 I
4 30 14.5 1200 4187 桩身完整 I
5 50 12.9 1000 4180 桩身完整 I
备注：本报告中所指桩长为检测时的混凝土长度不是结算桩长或孔深。
抽取的3个桩基低应变完整性测试波形图
3、低应变反射波法桩基测量的几个建议
（1）、桩头
传感器安装前桩头的清理工作是十分重要的。要清除桩头破碎、松软的部分及其它各种杂物，保证桩面的平整、干净，同时保证传感器的正确地安装，且在检测时不受其它各种因素的影响。
（2）、传感器
传感器是基桩检测的关键部分，它的各种参数如频响特征、阻尼大小、灵敏度和动态范围对实测波形的影响非常大。反射波法对传感器要求较高，要求传感器的量程和动态范围要足够宽、灵敏度高、余振短，保证它要有良好的阻尼特性。其次，必须选择好粘结剂，使传感器与基桩得到较好地耦合。常用的粘结剂有石膏粉、橡皮泥等。在这些粘结剂中，石膏粉粘结的耦合频率较高，其他几种较低。当桩头较湿时，采用石膏粉效果更好。
使用手锤或力棒时，应避免二次冲击的干扰， 在敲击桩顶时应掌握好敲击的力度，不应损坏桩顶， 防止信号畸变。测量前，击锤人员应进行相关标准训练，熟练掌握敲击的力度、垂直度等操作要领。
（3）、信号的采集
先根据前期收集的资料整个桩身质量作总体评估。再在桩身布置多个检测点（信号采集点），然后每个检测点进行多次数据采集（至少3次），保证检测数据的有效性。在先前评估或实际检测过程中有问题的地方要进行多次重复测试，进行对比分析，这样既可以保证检测的速度，又可以检测的质量。
（4）、浅部缺陷的识别最关键的是如何分辨“盲区”范围的缺陷。需要注意的事项包括：首先激振点和传感器的安装点要避开钢筋笼的主筋影响；其次通过采取提高激振脉冲波的频率，保证应力波有效到达盲区，以此来提高分辨率。
4 结语
目前，低应变检测技术已经在各种桩基检测工程中得到了普遍的推广和应用， 取得了一定的社会效益和经济效益。反射波法对桩身质量的检测是一个综合技术的检测过程，不是简单的敲击、对波形的过程，不能按部就班，死套规范，遇到异常波形要综合分析，搜集资料，在测试中不断积累经验，避免误判和漏判。