基于激振頻率的樁基缺陷識(shí)別研究

谷學(xué)倩

【摘要】為準(zhǔn)確判斷樁基檢測(cè)中的樁基缺陷，本文采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的方法系統(tǒng)探討了樁身參數(shù)、樁身缺陷類型和分布，以及樁身邊界條件對(duì)低應(yīng)變反射影響的規(guī)律;研究表明：不同缺陷類型的檢測(cè)樁具有不同時(shí)域曲線特征，擴(kuò)頸處的波形變化，但是并無(wú)明顯的樁底反射;對(duì)于縮頸樁，隨著缺陷程度的減小，縮頸尺寸的增大，激振錘敲擊樁頂所產(chǎn)生的高頻成分也隨之增多離析處的反射波波形不規(guī)則，相位與入射波相同，但一般情況下反射不明顯。

【關(guān)鍵詞】激振頻率;樁基缺陷;損傷識(shí)別;時(shí)域曲線

1、引言

目前，基于激振頻率的低應(yīng)變反射是基樁完整性檢測(cè)的主要方法之一，已被廣泛應(yīng)用于各種工程的基樁完整性檢測(cè)之中。由于低應(yīng)變反射法檢測(cè)基樁完整性受樁身形狀、混凝土強(qiáng)度、鋼筋布置、樁周地質(zhì)條件的影響較大，所以極容易發(fā)生誤判，且目前低應(yīng)變反射波法缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，不能對(duì)樁的完整性定量的給予判定，容易給施工工程質(zhì)量埋下安全隱患。我國(guó)的樁使用量高達(dá)300萬(wàn)根/年，隨著樁的使用數(shù)量增多，樁基質(zhì)量也受到了各相關(guān)建設(shè)單位的重視。據(jù)相關(guān)資料顯示，在國(guó)內(nèi)危害嚴(yán)重的缺陷樁高達(dá)10%～20%，在國(guó)外也約有5%～10%的比例。面對(duì)如此高比例的缺陷樁，樁基完整性檢測(cè)就顯得愈加重要。

本文基于激振頻率低應(yīng)變反射法檢測(cè)基樁完整性過(guò)程中存在的問(wèn)題，通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了不同樁基缺陷及缺陷類型對(duì)低應(yīng)變反射特性的影響，提出了樁基缺陷的判定標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效解決樁基檢測(cè)中缺陷分布及類型診斷的準(zhǔn)確性。

2、實(shí)驗(yàn)研究

現(xiàn)場(chǎng)制作擴(kuò)頸、縮頸、離析、斷樁、夾泥及完整樁等情況的模擬樁。完整樁的長(zhǎng)度為2.1m，樁徑400mm。擴(kuò)頸部位位于樁身中間1/3樁長(zhǎng)，擴(kuò)頸程度分別為：450mm、500mm、550mm?？s頸頸部位也位于樁身中間1/3樁長(zhǎng)，縮頸程度分別為：350mm、300mm、250mm。斷樁部位在樁身0.7m和1.4m處。離析深度分別為5cm、10cm、15cm。通過(guò)錘子敲擊樁面，產(chǎn)生不同的激振脈沖，分析輸出信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中，采用ZBL-P810基樁動(dòng)測(cè)儀對(duì)混凝土樁的完整性進(jìn)行檢測(cè)。激振技術(shù)是反射波法檢測(cè)基樁完整性的重要環(huán)節(jié)之一，對(duì)不同長(zhǎng)度、不同類型的基樁，需采用不同材料、不同能量的激振設(shè)備。一般大長(zhǎng)樁用大力棒（能量大、頻率低），短細(xì)樁或測(cè)試淺部缺陷時(shí)用手錘（能量小，頻率高），介于中間的樁則可用小力棒（能量及頻率介于大力棒及手錘之間）。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同類別缺陷樁會(huì)產(chǎn)生不同的時(shí)域曲線與頻域曲線，對(duì)這些波形曲線進(jìn)行細(xì)致的分析比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)按缺陷程度和缺陷程度的不同，曲線都有所不同。本次試驗(yàn)對(duì)不同程度擴(kuò)頸、縮頸及離析的缺陷樁的波形圖分析研究，歸納總結(jié)各缺陷樁的波形特點(diǎn)。

3.1 擴(kuò)頸對(duì)不同激振頻率響應(yīng)分析

鉆孔灌注樁在地下水位附近的松軟土層中，經(jīng)常發(fā)生擴(kuò)頸現(xiàn)象。擴(kuò)頸后樁身截面積增加，波形曲線上會(huì)出現(xiàn)與入射波相位相反的反射波。不同規(guī)格的缺陷樁波形曲線如圖1。

由圖1可知，當(dāng)擴(kuò)頸為450mm時(shí)，波形曲線上出現(xiàn)與入射波方向相反的反射波，符合擴(kuò)頸檢測(cè)波形特點(diǎn)，但是波形特征并不十分明顯;基頻f1大小約為頻差f2-f1的二分之一，通過(guò)對(duì)頻譜圖的觀察，當(dāng)使用鋁錘和鐵錘敲擊時(shí)，產(chǎn)生的激振頻率幅值較大，基頻相應(yīng)的幅值約是一階諧振峰的兩倍以上。對(duì)于鐵錘敲擊的時(shí)域波形曲線圖，在擴(kuò)頸0.7m處有與入射波相位相反的反射波相位產(chǎn)生，在擴(kuò)頸1.4m處有類似于縮頸的與入射波相位相同的反射波產(chǎn)生。能夠較明顯的看出缺陷樁類型。

3.2縮頸對(duì)不同激振頻率響應(yīng)分析

縮頸處截面積變小，波阻抗減小，應(yīng)力波遇到縮頸會(huì)產(chǎn)生于入射波相同的反射，波形比較規(guī)則，波速一般正常。由于阻抗減小不大，一般能看見(jiàn)樁底反射，若縮頸部位較淺，縮頸還會(huì)出現(xiàn)幾次反射，但是如果縮頸程度較嚴(yán)重，則難以看到樁底反射。不同縮頸樁激振時(shí)域曲線見(jiàn)圖2。

由圖2明顯看出在縮頸處有與入射波同向的反射波產(chǎn)生，但是樁底反射并不明顯。當(dāng)縮頸尺寸為350mm時(shí)，基頻大小約為頻差的三分之一，基頻幅值約為主頻的二分之一。在頻域圖中，諧振峰呈現(xiàn)較為平滑變化這一特點(diǎn)。當(dāng)縮頸樁的縮頸處截面積變小時(shí)，即存在波阻抗變化界面，這時(shí)在時(shí)域波形圖中能見(jiàn)到明顯的縮頸反射和樁底反射信號(hào)。在縮頸處有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)幾次反射信號(hào)，其時(shí)間間隔基本相等，而反射信號(hào)相位與入射波相位相同。

3.3離析對(duì)不同激振頻率響應(yīng)分析

離析處介質(zhì)的波速和密度較正?；炷?，導(dǎo)致波阻抗降低，出現(xiàn)同相反射，這一點(diǎn)與縮頸類似。但是離析處的反射波形不規(guī)則，后續(xù)反射信號(hào)雜亂;計(jì)算的得到的波速偏小;一般不會(huì)掩蓋樁身以下部位出現(xiàn)的較大的第二缺陷信號(hào)。

由圖3可知，當(dāng)離析10cm時(shí)，基頻大小與頻差基本相等，在頻域圖中，鐵錘的敲擊效果最好，有很多的高頻信號(hào)產(chǎn)生，頻域曲線上的諧振峰也呈現(xiàn)較為平緩的衰減，而且激振頻率的幅值也較尖。在時(shí)域波形圖中，有明顯的離析反射特性，其波幅陡降，波頻也有所降低。離析處的反射波波形不規(guī)則，相位與入射波相同，但一般情況下反射不明顯。當(dāng)離析時(shí)，基頻大小與頻差基本相等，在頻域圖中，鐵錘的敲擊效果最好，有很多的高頻信號(hào)產(chǎn)生，頻域曲線上的諧振峰也呈現(xiàn)較為平緩的衰減，而且激振頻率的幅值也較尖。這說(shuō)明在離析樁中，激振頻率衰減較快。隨著離析程度的不斷增大，激振頻率也隨之急劇衰減。

結(jié)論：

對(duì)于不同缺陷類型的檢測(cè)樁，有時(shí)時(shí)域曲線只能區(qū)分出擴(kuò)頸與縮頸，對(duì)于縮頸與離析、離析與斷樁則很難由時(shí)域曲線圖中區(qū)分，這就需要通過(guò)頻域曲線圖進(jìn)行進(jìn)一步辨別，由頻域圖可以看出擴(kuò)頸、縮頸及離析的頻譜特點(diǎn)如下：

（1）擴(kuò)頸：由時(shí)域圖能明顯看出擴(kuò)頸處的波形變化，但是并無(wú)明顯的樁底反射?；l大小約為頻差的二分之一，基頻相應(yīng)的幅值約是一階諧振峰的兩倍以上。

（2）縮頸：縮頸處截面積變小，波阻抗減小，應(yīng)力波遇到縮頸會(huì)產(chǎn)生于入射波相同的反射，波形比較規(guī)則，波速一般正常。對(duì)于縮頸樁，隨著缺陷程度的減小，縮頸尺寸的增大，激振錘敲擊樁頂所產(chǎn)生的高頻成分也隨之增多?；l幅值也隨著縮頸處直徑的增大而增大。

（3）離析：離析的時(shí)域圖在樁底并無(wú)明顯的樁底反射，波形并不規(guī)則，有與入射波同向的反射波產(chǎn)生，在樁身離析出也存在波阻抗變化界面。在時(shí)域波形圖中，有明顯的離析反射特性，其波幅陡降，波頻也有所降低。離析處的反射波波形不規(guī)則，相位與入射波相同，但一般情況下反射不明顯。離析樁中，激振頻率衰減較快。隨著離析程度的不斷增大，激振頻率也隨之急劇衰減。

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