齊 添，李水江，童艷光，楊 軍，趙亞宇

（1、廣州環(huán)保投資集團(tuán)有限公司 廣州510330；2、廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司 廣州510520；3、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510641）

0 引言

目前常用的樁基完整性檢測(cè)方法包括低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波透射法、鉆芯法和管波法等，各種方法均有其優(yōu)勢(shì)以及局限性。例如，低應(yīng)變法簡(jiǎn)便、效率高、成本低，但對(duì)于復(fù)雜地層條件和較小缺陷的樁身完整性評(píng)判效果不佳；高應(yīng)變法對(duì)樁身完整性判定效果較好，但操作復(fù)雜、成本高、效率低；聲波透射法可以進(jìn)行不同樁長(zhǎng)和缺陷數(shù)量的樁身完整性檢測(cè)，但無(wú)法識(shí)別樁底沉渣和水平細(xì)微裂縫等；鉆芯法可以獲得直觀的檢測(cè)結(jié)果，但無(wú)法反映未鉆孔部位的樁身完整性［1-9］。

時(shí)域反射技術(shù)（Time Domain Reflection，TDR）是近年來(lái)新興的一種綠色環(huán)保無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，因具有方便、安全、經(jīng)濟(jì)、數(shù)值化以及可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種物體形態(tài)特征的檢測(cè)和空間定位。由于時(shí)域反射技術(shù)可以精確檢測(cè)土壤含水量和導(dǎo)電性能等性能，TDR 廣泛應(yīng)用于土壤物理參數(shù)的測(cè)定，可以用于獲取土壤的水熱動(dòng)態(tài)和物理參數(shù)、鑒定土壤的污染情況，并進(jìn)一步運(yùn)用于地質(zhì)水文條件和地質(zhì)災(zāi)害的檢測(cè)和判定［10-15］。李海濤等學(xué)者分別研究了時(shí)域反射技術(shù)對(duì)于溶洞塌陷監(jiān)測(cè)、道路邊坡監(jiān)測(cè)和滑坡監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果［16-18］。然而，該技術(shù)在樁基施工質(zhì)量缺陷檢測(cè)方面鮮有應(yīng)用。

本文以時(shí)域反射技術(shù)檢測(cè)樁基完整性為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)和加工了不同缺陷模型樁開(kāi)展測(cè)試，進(jìn)行時(shí)域反射法檢測(cè)和評(píng)價(jià)樁基缺陷的試驗(yàn)研究，著重探討了不同影響因素作用下，TDR 技術(shù)對(duì)樁身縮頸（夾泥）缺陷的檢測(cè)效果，并對(duì)比分析不同樁周土體（非飽和、飽和）狀態(tài)中電磁波測(cè)試信號(hào)的變化規(guī)律。

1 測(cè)試原理

時(shí)域反射法原理如圖1 所示，通過(guò)測(cè)量電磁波的傳播速度來(lái)識(shí)別傳輸線特性的一種檢測(cè)技術(shù)。時(shí)域反射計(jì)是一種基于時(shí)域反射法的電子測(cè)試儀器，該儀器激發(fā)階躍函數(shù)或正弦脈沖電磁波信號(hào)，該信號(hào)會(huì)在故障點(diǎn)發(fā)生反射，所產(chǎn)生的反射波被識(shí)別后可以用來(lái)判斷故障的位置和情況。

圖1 典型TDR設(shè)置的等效電路Fig.1 Equivalent Circuit for Typical TDR Settings

TDR 測(cè)試儀激發(fā)的電磁波信號(hào)在鋼筋籠主筋和導(dǎo)線構(gòu)成的傳輸線上進(jìn)行傳播；在遇到樁基鋼筋籠周?chē)h(huán)境的介質(zhì)改變時(shí)，其阻抗就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電磁波信號(hào)發(fā)生反射；TDR 測(cè)試儀接收器接收反射信號(hào)并實(shí)時(shí)反映到示波器上，形成電磁波時(shí)域反射曲線圖，圖2為基于TDR的基樁缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。

圖2 基于TDR的基樁缺陷檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Defect Detection System of Pile Foundation Based on TDR

通過(guò)對(duì)圖2 中電磁波時(shí)域反射曲線圖的分析，可以對(duì)電纜阻抗變化位置和程度實(shí)現(xiàn)有效判定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樁基完整性檢測(cè)的目的。其中，通過(guò)估算電磁波發(fā)射時(shí)刻與阻抗失配端回波到達(dá)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔△t 和電磁波傳播波速vp，可以計(jì)算出阻抗不匹配位置，如式⑴所示:

式中:L為阻抗不匹配位置，當(dāng)阻抗不匹配為樁端時(shí)，L=L0（L0為樁頂?shù)綐兜椎木嚯x）；當(dāng)阻抗不匹配為樁間時(shí)，L=Li（Li為阻抗不匹配點(diǎn)的位置）；i 為阻抗不匹配點(diǎn)數(shù)。

2 缺陷模型樁測(cè)試試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在3種不同環(huán)境下對(duì)不同類(lèi)型的模型樁進(jìn)行測(cè)試:①模型樁置于空氣中；②模型樁埋入干土中；③模型樁埋入濕土中。傳輸線采用與鋼筋籠主筋并排設(shè)置的線纜，再使用時(shí)域反射技術(shù)生成和檢測(cè)電磁波反射信號(hào)。時(shí)域檢測(cè)法的儀器設(shè)備主要包括:TDR200 時(shí)域反射計(jì)和測(cè)試線纜。TDR200 時(shí)域反射計(jì)可準(zhǔn)確測(cè)量土壤體積含水量、土壤容重電導(dǎo)率、巖體變形以及斜坡穩(wěn)定或自定義時(shí)域測(cè)量。測(cè)試線纜為SYV50-3 同軸電纜，阻抗為50±2Ω，電磁波傳播速度為66%vc（vc為光速，vc=3.0×108m/s）。

如圖3所示，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆稙殚L(zhǎng)1.0 m，直徑0.6 m的圓柱形樁段。鋼筋籠的直徑和高度分別為0.4 m 和1.2 m。鋼筋籠由8 根φ 18 的主筋和5 根φ 8 的圓形加強(qiáng)箍筋組成。主筋以等間距排列成圓形。加強(qiáng)箍筋從底部按間隔0.2 m 安裝。主筋和箍筋之間連接方式為焊接。采用42.5 MPa 的普通硅酸鹽水泥，粒徑為0.1～2.0 mm 級(jí)配良好的水洗河砂，水泥∶砂子∶碎石∶水=1∶1.862∶2.794∶0.45。混凝土標(biāo)號(hào)為C30。

圖3 模型樁設(shè)計(jì)與測(cè)試試驗(yàn)Fig.3 Design and Tests of Model Piles

模型樁共制作3 個(gè)，單缺陷樁缺陷尺寸為10 cm×10 cm×12 cm、20 cm×10 cm×12 cm 和30 cm×10 cm×12 cm，雙缺陷樁的缺陷尺寸為10 cm×10 cm×12 cm。采用預(yù)埋聚苯乙烯泡沫塑料塊的方式模擬樁的缺陷?；炷翝仓礃?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，將樁體從PVC 圓套筒中取出，并移除泡沫塑料塊。隨后分別在空氣和砂土中進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，研究土體飽和程度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。傳輸線纜預(yù)先綁扎在鋼筋籠主筋上，傳輸線接線采用2根線纜并聯(lián)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 周?chē)橘|(zhì)的影響

3.1.1 空氣中的模型樁

空氣中3 根模型樁的測(cè)試信號(hào)如圖4 所示?？傮w來(lái)看，在模型樁缺陷段和樁底位置能看到較清晰的反射信號(hào)。對(duì)于無(wú)缺陷模型樁，樁身范圍內(nèi)電壓信號(hào)基本穩(wěn)定，樁端位置因開(kāi)路阻抗增大出現(xiàn)正向反射；對(duì)于單缺陷模型樁，當(dāng)缺陷靠近樁身中部時(shí)，缺陷位置對(duì)應(yīng)信號(hào)反射特征最為清晰，當(dāng)缺陷靠近樁頂時(shí)，因受樁頂反射波形疊加影響，該位置反射特征不太清晰，靠近樁底時(shí)也將對(duì)樁底反射信號(hào)造成疊加干擾；對(duì)樁身具有連續(xù)缺陷分布時(shí)，上部缺陷較為明顯，下部缺陷因透射電磁波能量減弱，其振幅有較明顯的削弱，其他規(guī)律則與單缺陷時(shí)基本一致。從電磁波傳播時(shí)間來(lái)看，模型樁P1的4根線纜位置均被水泥漿完全包圍，周?chē)鸁o(wú)缺陷，測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間幾乎相同，約為17.62～17.79 ns 之間（平均速度為1.13×108m/s）。相比無(wú)缺陷樁基，帶缺陷模型樁中電磁波傳播時(shí)間略微有所減小，其樁底平均反射時(shí)間約為17.54 ns。

圖4 空氣中模型樁時(shí)域電磁波反射曲線Fig.4 Time Domain Electromagnetic Wave Reflection Curves of Model Piles in the Air

3.1.2 土體中的模型樁

圖5給出了模型樁位于干土和濕土中時(shí)測(cè)得的時(shí)域電磁波反射曲線。由圖5a可以看出，當(dāng)樁身無(wú)混凝土澆筑缺陷時(shí)，不論模型樁位于空氣中還是不同含水率的土體中，其時(shí)域電磁波反射曲線基本不發(fā)生變化，這也證明線纜內(nèi)電磁波僅僅受其周?chē)苄“霃椒秶ò霃叫∮阡摻畋Ｗo(hù)層厚度）介質(zhì)材料性質(zhì)影響。同樣，當(dāng)缺陷位于樁頂位置附近時(shí)，電磁波反射信號(hào)發(fā)生疊加，缺陷判別十分困難。對(duì)于有連續(xù)缺陷分布的情況，受上部缺陷反射波信號(hào)疊加干擾，下部缺陷波形特征有所減弱。

圖5 土體中模型樁時(shí)域電磁波反射曲線Fig.5 Time Domain Electromagnetic Wave Reflection Curves of Model Piles in the Soil

與空氣中的反射波形相比，缺陷位置反射波振幅因傳輸線周?chē)橘|(zhì)阻抗減小而降低。從電磁波傳輸速率來(lái)看，土體中無(wú)缺陷模型樁的平均傳輸時(shí)間為17.71 ns，與空氣中模型樁基本一致。

3.2 測(cè)試電磁波信號(hào)特征

時(shí)域電磁波反射技術(shù)是將產(chǎn)生的階躍函數(shù)作為輸入信號(hào)，實(shí)測(cè)波形與理論輸入信號(hào)波形存在差異，主要與測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間退化（即信號(hào)失真）有關(guān)，即由電磁波在傳遞過(guò)程中發(fā)生衰減、頻散、介質(zhì)不連續(xù)等原因引起。由上述分析可知，阻抗差異界面上升時(shí)間衰減使得很難區(qū)分2 個(gè)相鄰的不連續(xù)面（缺陷）。導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間降低的原因可能為:①TDR設(shè)備與同軸電纜的連接；②同軸電纜和傳輸線（外接線纜）之間的連接；③由周?chē)牧希ㄈ缁炷粒┑母邔?dǎo)電性引起的衰減和頻散；④頸縮缺陷在傳輸線上產(chǎn)生2 個(gè)不連續(xù)界面。當(dāng)TDR 產(chǎn)生階躍函數(shù)時(shí)，信號(hào)失真通常發(fā)生在感應(yīng)不連續(xù)（即橫截面變化）和由于介電特性變化而引起的阻抗變化之中。

3.3 樁身電磁波傳遞速率

模型樁中電磁波的速度由往返行程距離與時(shí)間之比計(jì)算，本次試驗(yàn)波速計(jì)算結(jié)果如表1所示。

模型樁P1 在空氣中的電磁波傳播速度為1.13×108m/s，與土體中傳播速度基本一致。換句話說(shuō)，當(dāng)傳輸線周?chē)淮嬖谌毕輹r(shí)，在配置雙軸線纜構(gòu)成的傳輸線上傳遞的電磁波不受模型樁周?chē)馏w性質(zhì)影響。帶缺陷模型樁在空氣中的電磁波傳遞速率（1.13×108m/s～1.15×108m/s）普遍大于無(wú)缺陷樁的傳遞速率（1.13×108m/s），這是因?yàn)殡姶挪ㄋ俾适苤車(chē)馁|(zhì)介電常數(shù)的影響。

電磁波在無(wú)缺陷樁中的傳播速度取決于混凝土的介電常數(shù)，而電磁波在有缺陷傳輸線上的傳播速度則同時(shí)取決于空氣和混凝土的介電常數(shù)。由于混凝土的介電常數(shù)大于空氣，電磁波在傳輸線上的傳播速度隨著空氣中模型樁缺陷數(shù)量的增加而增加。這就可以解釋為何空氣中單缺陷模型樁的電磁波速率高于無(wú)缺陷樁，但低于具有雙缺陷的模型樁。另外，根據(jù)不同材料介電常數(shù)的差異，可以對(duì)干砂、濕砂和空氣中電磁波傳遞速率的大小關(guān)系進(jìn)行合理解釋。

3.4 縮徑缺陷位置計(jì)算

根據(jù)樁底反射信號(hào)時(shí)間計(jì)算模型樁電磁波平均傳遞速率，再由缺陷反射時(shí)間與波速可計(jì)算求得缺陷位置。表2 給出了各模型樁主要缺陷位置的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于單缺陷模型樁，缺陷深度計(jì)算值與實(shí)際值的偏差不超過(guò)10%。對(duì)于多缺陷樁，缺陷計(jì)算值與實(shí)際相差有所增大，這與電磁波通過(guò)多個(gè)缺陷時(shí)期傳播速率增加幅度增大有關(guān)?？傮w來(lái)看，缺陷計(jì)算的精度是能夠滿足實(shí)際工程要求的。

4 結(jié)論

時(shí)域反射法可用于樁身完整性的檢測(cè)，對(duì)縮頸缺陷位置和數(shù)量的判定準(zhǔn)確性較高，在模型樁缺陷段和樁底位置能獲得較清晰的反射信號(hào)。具體結(jié)論如下:

⑴在模型樁缺陷段和樁底位置能看到較清晰的反射信號(hào)。當(dāng)缺陷位于樁頂位置附近時(shí)，電磁波反射信號(hào)發(fā)生疊加，缺陷判別較困難；位于樁身中部時(shí)，缺陷位置對(duì)應(yīng)信號(hào)反射特征最為清晰；位于下部時(shí)缺陷因透射電磁波能量減弱，其振幅有較明顯的削弱。

⑵樁周介質(zhì)變化對(duì)于時(shí)域電磁波反射曲線影響較小，僅在周?chē)苄“霃椒秶ò霃叫∮阡摻畋Ｗo(hù)層厚度）內(nèi)有所影響；樁周不同介質(zhì)條件下電磁波傳播速度基本一致；樁周介質(zhì)為土體時(shí)阻抗較空氣小，導(dǎo)致反射波振幅有一定降低。

表1 模型樁中電磁波傳播時(shí)間與速率Tab.1 Propagation Time and Velocity of Electromagnetic Waves in Model Piles

表2 模型樁缺陷位置計(jì)算結(jié)果匯總Tab.2 Summary of Calculation Results of Defect Location of Model Piles

⑶時(shí)域電磁波的實(shí)測(cè)波形和理論波形存在一定差異，這可能是因?yàn)殡姶挪▊鬟f過(guò)程中發(fā)生的衰減、頻散、介質(zhì)不連續(xù)等；時(shí)域反射法對(duì)樁縮頸缺陷位置的檢測(cè)值和實(shí)際值的存在一定偏差，這是由于不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同導(dǎo)致了電磁波的波速變化，但誤差均在實(shí)際工程要求的精度范圍內(nèi)。