低應(yīng)變法檢測樁長中波速的影響及改進方法

盧浩

（南寧鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西　南寧　530000）

低應(yīng)變法檢測樁長中波速的影響及改進方法

盧浩

（南寧鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西南寧530000）

低應(yīng)變反射波法因其具有成本低、速度快等優(yōu)勢，仍然是目前現(xiàn)場核驗樁長是否存在缺陷最常用的無損方法，然而，由于其準確性受多種因素制約，其中又以波速的取值最為關(guān)鍵。本文分析了通過混凝土強度推定波速和運用雙峰法、時差法現(xiàn)場測定波速兩種常用方法的局限性并提出改進方法：一是作者根據(jù)對多條鐵路線上的橋梁樁檢測得到的數(shù)據(jù)分析論證，推薦了在鐵路橋梁基樁一維桿波速的參考值；二是從理論推導(dǎo)和現(xiàn)場實測兩方面論述作者所在單位南寧鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所探索運用單面反射法和對測法所得到的波速值，與實際驗證結(jié)果均吻合，表明所探索的方法具有現(xiàn)場快速、簡便、準確測定樁身波速的特點。

低應(yīng)變反射波法；樁長檢測；波速；單面反射法；對測法；

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.04.011

低應(yīng)變反射波法因其具有成本低、速度快等優(yōu)勢，仍然是目前現(xiàn)場核驗樁長是否存在缺陷最常用的無損方法。低應(yīng)變反射波法檢測樁長的前提條件是獲得準確的一維桿波速，特別是在樁長和波速都未知的情況下。因此，我們對低應(yīng)變反射波法檢測樁長中波速的影響進行研究，并在樁長和波速都未知情況下進行波速快速測定提出了改進的方法。

1　低應(yīng)變反射波法檢測樁長

1.1一維波動方程低應(yīng)變反射波法是利用彈性波理論檢測樁身的完整性。其原理是在樁頭進行瞬態(tài)激振，產(chǎn)生低能量的彈性波（即應(yīng)力波）使其沿樁身傳播，樁的各截面在應(yīng)力波的作用下做彈性范圍內(nèi)的低幅振動，通過分析該彈性波在樁身傳播的特征，可以得到樁身是否存在缺陷等信息。反射波法的理論基礎(chǔ)是一維波動方程。利用一維波運動方程進行樁基檢測的假設(shè)前提：一是樁身材料均勻且各項同性，視為一維直桿；二是樁身振動時，振動截面保持為平面，且各截面上的應(yīng)力分布是均勻的；三是樁身振動位移微小，應(yīng)力應(yīng)變在線彈性范圍內(nèi)，服從胡克定律。

當(dāng)在桿的頂部施加一瞬態(tài)激振力f（t）后，將產(chǎn)生縱向應(yīng)力波在桿內(nèi)由頂部到底部傳播。在一維波動方程中設(shè)樁身的軸向為x軸，樁長為L，截面積為A，密度為ρ，彈性模量為E，受軸向力f（t）的作用，將沿樁身縱向產(chǎn)生位移u。一維直桿振動力學(xué)模型如圖1所示。

圖1　一維直桿振動力學(xué)模型

根據(jù)彈性力學(xué)理論可推得：

1.2樁長檢測公式

時域法樁長計算公式：

式中：L為樁長，t0為樁底反射信號與入射波的時間差（如果能采集到樁底反射的信號（摩擦樁與入射波同相，嵌巖樁與入射波反向）；c為受檢樁的樁身波速；

頻域法樁長計算公式∶

2　波速對樁長檢測的影響

從式3和式4可以看出，無論時域還是頻域分析，樁身波速的測定是能否準確計算出樁長的關(guān)鍵。規(guī)范［1］中用樁身波速的平均值cm來代代替受檢樁的樁身波速：

式中ci為第i根受檢測樁的樁身波速值，L為受檢測樁測點下的樁長。式6中的難點是如果樁長數(shù)據(jù)未知或所知樁長的數(shù)據(jù)值得懷疑，就無法求出較為準確的ci，同時，也就無法計算檢驗樁長。目前，現(xiàn)場一般采用的操作方法主要有兩種：一種是依據(jù)混凝土強度與一維縱波波速的對應(yīng)關(guān)系，綜合確定波速平均值來計算樁長；另一種是現(xiàn)場測定波速。下面對這兩個方面進行研究。

2.1通過強度確定波速參考值大量的試驗表明，波速除了與樁身混凝土的強度有關(guān)外，還與混凝土的骨料品種、粒徑級配、密度、水灰比、成樁工藝等因素有關(guān)。波速與樁身強度整體趨勢上呈正相關(guān)關(guān)系，即強度高波速高，但二者不是一一對應(yīng)關(guān)系，出入比較大。

目前，在工程界主要是依據(jù)第二屆應(yīng)力波理論在樁基中的應(yīng)用國際會議推薦的有關(guān)計算公式進行推算［2］，見表1。

表1　基樁低應(yīng)變波速量值研究表

鐵路高性能混凝土的強度與波速關(guān)系與普通混凝土略有區(qū)別，其關(guān)系見表2［3］。

表2　鐵路高性能混凝土基樁檢測波速與強度關(guān)系的研究表

混凝土是一種復(fù)雜的多孔材料，是一種非均介質(zhì)，從組成結(jié)構(gòu)看，混凝土內(nèi)部固、液、氣三者長期共存。在力學(xué)性能上，表現(xiàn)為既有彈性性質(zhì)，又有一定的粘塑性性質(zhì)，因此，影響混凝土傳播速度的機理比較復(fù)雜。通常情況下影響一維桿波速的主要因素，首先是混凝土內(nèi)石子的品種、粒徑和用量，石子粒徑大的波速大于粒徑小的波速；其次是混凝土的含水率，一般含水率大的波速大于含水率小的波速；再一個因素是混凝土的養(yǎng)護方式，一般而言，水中養(yǎng)護方式大于標準養(yǎng)護方式，標準養(yǎng)護方式大于自然養(yǎng)護方式。

我們對洛湛線、河湛線、田德線、南欽線、玉鐵線、南廣線、成綿樂鐵路所檢測橋梁樁的低應(yīng)變反射波法的波速進行了統(tǒng)計分析，從上述每條鐵路線路都抽出所檢測的8～10座橋梁，只統(tǒng)計完整性為Ⅰ類的橋粱樁，總共18 102根樁。統(tǒng)計匯總結(jié)果見表3。

表3　橋梁樁低應(yīng)變檢測樁身波速匯總表

從以上統(tǒng)計和匯總，我們可以得出結(jié)論：（1）一維桿波速與樁身強度呈一定的正相關(guān)關(guān)系，相同樁身混凝土標號不同線的波速平均不完全相同，但也比較接近。C 30、C 35、C 40各條線的平均波速的統(tǒng)計標準差都小于80 m/s，離散系數(shù)在2.1%以內(nèi)。（2）同表3相比，大部份的推薦波速和實際情況還是相近的，可以作為參考，但有一些標號的波速參考值和實際情況有較大出入，比如C 20、C 40的混凝土?；诖瞬⒔Y(jié)合理論計算（考慮樁身中鋼筋以及尺寸效應(yīng)的影響）及我們大量的試驗結(jié)果，我們推薦在鐵路橋梁基樁一維桿波速的參考值如表4所示。

表4　基樁低應(yīng)變波速推薦參考值（單位：km/s）

2.2現(xiàn)場測定波速在波速和樁長都未知的情況下測定樁身波速的方法目前主要有雙峰法、時差法，雙峰法又分為前雙峰法和后雙峰法［4］。這些方法都是在沿樁身長度方向不同深度采集振動信號，理論上都能在樁長和波速都未知的情況下，測得波速和樁長。但在實際應(yīng)用中，由于樁身材料阻尼及樁側(cè)阻尼的影響，應(yīng)力波在傳播過程中衰減嚴重，因此后雙峰法需要應(yīng)力波從樁底和樁頂兩次回波，在現(xiàn)場是很難實現(xiàn)的。前雙峰法和時差法比較容易實現(xiàn)，但也需要進行較深的開挖，如果有方法能不用挖就直接可以測出波速，無疑會更快捷方便。

3　改進的方法

3.1操作原理現(xiàn)場測樁過程中，我們根據(jù)實際樁長可得到樁的一維桿波速值。如果樁長和一維桿波速都未知時，現(xiàn)場可利用樁身在地面露出段的直徑方向進行單面反射法和對測法進行波速標定，示意圖如圖2～圖4。對側(cè)安裝另一個傳感器，激振設(shè)備上的傳感器記錄應(yīng)力波起始時間t1，應(yīng)力波傳遞到對側(cè)的傳感器，記錄下到達時間t2，應(yīng)力波的波速為v1=2d/△T。

圖2　一維桿波速測試

推斷v1，v2和一維桿波速的關(guān)系是這兩種方法應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖3　單面反射法波速測試

圖4　對測法波速測試

單面反射法：是在樁頭露出部分的一側(cè)安裝傳感器，并在傳感器的附近利用小錘等激振設(shè)備進行激振，傳感器記錄下激振起始峰值及時間t1，產(chǎn)生的彈性波在樁身截面中傳播，到達樁的徑向另一側(cè)的側(cè)面后發(fā)生反射，反射波傳回到激振的這一面，傳感器記錄下反射峰值及時間t2。應(yīng)力波傳播路徑為2d（d為樁的直徑，可現(xiàn)場測量），傳播時間為△T=t2-t1，應(yīng)力波的波速為v1=2d/△T。

對測法∶是在激振設(shè)備上安裝傳感器，在激振處

3.2與一維桿波速的關(guān)系上述兩種方法測到的波速v1，v1是彈性波在三維體中傳播的波速。彈性波的各種波中，P波速度最快，因此叫Primary wave。然而，P波的波速不是一個定值，與傳播物體的尺寸、形狀以及P波波長有關(guān)。當(dāng)物體的3維尺寸大于P波波長時，P波的傳播速度可由下式表示。

其中，E為材料的彈性模量，μ為泊松比，ρ為密度。

而當(dāng)傳播物體為樁、立柱等細長物體而P波波長較長時，其P波波速為1維速度：

當(dāng)傳播物體為平板，而P波波長較長的場合，P波速度為2維速度：

容易得出Vp1＜Vp2＜Vp3的關(guān)系。若泊松比取為0.20，則有：

如前所述，P波的傳播速度不僅取決于傳播物體的尺寸、形狀，還取決于P波的波長。一般來說，波長越短的P波，其傳播速度越接近Vp3。

為了驗證單面反射法和對測法測到的波速v1，v2和一維桿波速的關(guān)系，我們利用6根試驗樁進行試驗。我們先后用低應(yīng)變反射波法測得樁身的一維桿波速V一維桿，利用單面反射法和對測法測得彈性波在三維體的波速V反，V對測。每根樁測3～6次，通過測試結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

和式7吻合，因此可以利用單面反射法和對測法測得彈性波在三維體的波速V反，V對測來推算樁身的一維桿波速V一維桿：

結(jié)合式4可計算得樁長：

式中：L為樁長

t0為樁底反射信號與入射波的時間差

4　工程樁試驗

4.1驗證試驗設(shè)計為驗證上述一維桿件波速與三維波速之間關(guān)系正確與適用，我們運用增強型低應(yīng)變基樁完整型檢測儀，進行工程樁現(xiàn)場試驗，試驗場景見圖5所示。試驗測試對象為3根圓形工程基樁，地面露出段的長度約在0.1 m左右，試驗的主要步驟：（1）在露出段直徑方向上利用單面反射法（圓形小尺寸測試物，近似三維波速）和對測法測試得到三維波速值；（2）利用上述關(guān)系推定得到樁身波速V推定（一維桿件波速）；（3）在樁頂激振，得到樁身長度波形，結(jié)合V推定推定計算出樁身長度L推定；（4）對3根基樁鉆芯驗證得出樁身實際長度L實際；（5）利用樁身實際長度L實際計算出樁身實際波速V實際；（7）綜合分析比較樁身長度L實際、L推定及波速值V實際、V推定，得出結(jié)論。

圖5　現(xiàn)場試驗場景

4.2試驗結(jié)果試驗通過單面反射波法和對測法推定的樁身波速，測試出的樁長與現(xiàn)場采用鉆芯法對實際長度進行驗證，其驗證結(jié)果詳見表5

表5　樁長結(jié)果對比表

通過表5可見：無論是通過單面反射法還是對測法得到的三維波速，計算得出樁身一維波速值，從而推定得出的樁身測試長度，均與實際長度非常吻合。

根據(jù)鉆芯驗證的樁身實際長度，可得出樁身的實際一維波速值。利用單面反射法和對測法測試所得到的推定一維波速值V推定-反射、V推定-對測與實際波速V實際對比如表6所示。

表6　波速結(jié)果對比表

通過表6可見：無論是通過單面反射法還是對測法得到的三維波速，計算得出樁身一維波速值，均與實際波速十分吻合。

利用單面反射法和對測法得到的三維波速與樁身實際的一維波速之間的關(guān)系，如表7所示：

表7　樁身實際一維波速與三維波速的比例關(guān)系

由表7可知，樁身實際一維波速與樁身三維波速之間均滿足VP1∶VP3≈1∶1.05的關(guān)系。且由上可知，無論是通過單面反射法還是對測法得到波速，計算得出樁身的一維波速值，均與樁身實際一維波速吻合。利用單面反射或?qū)y法推定的樁身一維波速，計算得出的樁身長度也是非常吻合的。

因此，試驗證明：單面反射法和對測法中彈性波在三維體中傳播的波速公式以及它和一維桿波速的關(guān)系（式8～式11）正確，并且利用單面反射法或?qū)y法獲取推定樁身一維波速能較為準確的測試出樁身實際長度。

5　結(jié)束語

低應(yīng)變反射波法是目前現(xiàn)場核驗樁長最常用的無損方法，其準確性受多種因素影響，其中波速的取值最為關(guān)鍵。南寧鐵路局科研所針對通過混凝土強度推定波速和現(xiàn)場標定波速兩種方法存在的局限性，有效探索出了改進方法，即運用單面反射法和對測法兩種方法，實現(xiàn)了現(xiàn)場快速、簡便、準確測定樁身波速的目的，具有一定的推廣運用價值。影響低應(yīng)變反射波法檢測樁長還有其它因素，特別是如何提高樁底反射信號的提取能力和精度，也值得我們?nèi)ド钊胙芯俊?/p>

［1］中華人民共和國行業(yè)標準.《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106—2014）［S］.中國建筑工業(yè)出版社.2014∶2-37

［2］張宏.灌注樁檢測與處理［M］.人民交通出版社.2001.14-32.

［3］胡在良、張佰戰(zhàn)、董承全、李晉平.鐵路高性能混凝土基樁檢測波速與強度關(guān)系的研究［J］.鐵道建筑.2011，12（7）∶94-98.

［4］龔昕.低應(yīng)變動測技術(shù)確定施工樁長的試驗技術(shù)研究［D］.南昌大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［5］南寧鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所、南寧鐵路局沿海建指、南寧鐵路局建管處、南寧鐵路局工管所、四川升拓檢測技術(shù)有限責(zé)任公司.橋梁基樁施工長度檢測方法的研究研制報告.2014

U44

B

1006-8686（2016）04-0028-06