基于沖擊彈性波的既有基樁長度檢測技術(shù)

黃 豪，黃伯太，吳波濤，劉 濤，劉 陽

（1.福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007；2.四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，四川 自貢 643000）

基樁質(zhì)量進行檢測［2-4］。然而，既有建筑基樁由于其上部結(jié)構(gòu)的存在，不具備低應(yīng)變法檢測的樁頂測試條件。

針對既有結(jié)構(gòu)基樁檢測的大量需求，通過國內(nèi)外研究者努力，已克服傳統(tǒng)方法（如鉆孔取芯法、聲波透射法、高應(yīng)變發(fā)射法）在既有基樁檢測中的諸多困難［5］，形成了一系列針對既有基樁完整性檢測技術(shù)。通過匯總分析，主要從兩個思路進行解決：（1）基于更先進的測試和信號分析方法的檢測技術(shù)，如對低應(yīng)變反射波法改進后的雙速度法、側(cè)壁低應(yīng)變法、超震波法、彎曲波法等；（2）基于新技術(shù)的檢測方法，如鉆孔雷達法、旁孔透射法、電磁波CT 法、動力荷載法等［3］。其中，基于無損檢測方法的低應(yīng)變反射波法的雙速度法、側(cè)壁低應(yīng)變法發(fā)展較快，并列入建筑行業(yè)的既有建筑基樁的檢測規(guī)范。另外，針對基樁長度的檢測，可采用破損的檢測方法，如

引 言

基樁作為承受和傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載的重要傳力結(jié)構(gòu)，其重要性不言而喻［1］。當基樁長度不足及樁身出現(xiàn)缺陷時，將降低樁身承載力，影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，嚴重時對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大安全隱患。目前，經(jīng)過業(yè)內(nèi)學者的研究，形成了一套對基樁樁身完整性的檢測技術(shù)，并在建筑、公路、鐵路等行業(yè)頒布實施了樁身完整性檢測規(guī)范，大量用于現(xiàn)場的實際檢測。另一方面，既有建筑結(jié)構(gòu)（如已經(jīng)完成橫梁、冠梁等施工，不具備樁頂檢測條件）的基樁，由于在長期往復荷載作用下或發(fā)生地震、滑坡、車輛沖撞等外力作用下引起地基荷載及基樁承載力的變化，同時由于地基問題或施工質(zhì)量問題導致樁身、上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜、變形、沉降、開裂等問題，需要對旁孔透射法及鉆芯法［6-9］。

目前，針對具有上部結(jié)構(gòu)的既有基樁長度檢測一般不具備樁頂鉆芯的條件，大多采用旁孔透射法。該方法是在基樁旁邊鉆一平行于基樁的測孔，測孔軸線與樁身豎直軸線平行且距離不大于1.5 m。通過在基樁頂部或側(cè)面敲擊產(chǎn)生應(yīng)力波，利用在孔內(nèi)的傳感器接收信號，記錄在不同深度時傳感器受信的首波到達時間，根據(jù)穿透時間—深度關(guān)系圖判斷樁長和樁身缺陷［3］，如圖1 所示。該方法檢測的前提是需要在基樁旁邊鉆孔，鉆孔后需要泥漿護壁，并灌水，達到檢測條件。這種檢測方式條件苛刻，過程繁瑣且檢測結(jié)果誤差較大。

圖1 旁孔透射法檢測示意圖

為了提高既有基樁長度檢測的現(xiàn)場可操作性，國內(nèi)研究者提出了針對既有基樁的樁身缺陷檢測方法—側(cè)壁低應(yīng)變法［4］。該方法對既有樁進行檢測，被測基樁不具備雙面對測條件時，無法獲取樁長及缺陷檢測的樁身波速，若采用經(jīng)驗波速檢測，檢測結(jié)果差異大，從而無法準確檢測基樁長度。準確檢測既有基樁的樁長，其關(guān)鍵在于需要準確獲取被測對象的樁身波速及樁底反射時刻。

基于此，深入研究低應(yīng)變法對基樁檢測的檢測原理及影響因素，結(jié)合彈性波的傳播特性，提出基于樁頂/樁側(cè)瑞利波法的波速測定方法—彈性波側(cè)壁檢測法［10-12］。通過標定基樁開挖外露部分的瑞利波波速，經(jīng)過換算確定樁身波速，進而對既有基樁長度進行檢測，通過現(xiàn)場試驗及應(yīng)用驗證，該方法能夠有效檢測既有基樁的樁長［13-16］。

1 基樁彈性波傳播機理研究

因既有基樁上部結(jié)構(gòu)的存在，導致彈性波信號在基樁內(nèi)部的傳播變得復雜，因此有必要對彈性波在樁身的傳播機理進行研究?；鶚兜孛嬉韵碌牟糠?，其彈性波的傳播符合一維桿件兩個條件：λ > 2D，D < 0.2L。其中,λ表示彈性波波長，D表示樁徑，L表示樁長。

根據(jù)彈性力學的論述，利用錘擊等方法對基樁進行檢測采用的彈性波的縱波或扭轉(zhuǎn)波，其傳播適用于一維桿軸線方向的彈性波傳播理論［5］。對于不同的樁身狀態(tài)，其傳播機理也不同。以下分兩種情況進行討論。

（1）樁身處于自由狀態(tài)

取一維桿的軸線作為水平軸，如圖2 所示。設(shè)一維桿為等截面，截面面積為A，彈性模量為E，密度為ρ，且材質(zhì)均勻連續(xù)。在任意截面x 處的微單元d x 受縱向外力p擾動而自由振動，振動位移表示為u(x,t)。

圖2 一維桿中質(zhì)點縱向振動

該微元d x 在x + d x 處，受擾動后產(chǎn)生的縱向張力以p(x)表示，則：

根據(jù)牛頓第二定律，有：

可知C 是彈性波沿一維桿軸向傳播速度，即樁身軸向波傳播速度為：

波動方程（2）的通解為：

即以x - Ct 和x + Ct 為參數(shù)的任意函數(shù)均可滿足式（2），它表明初始的擾動將保持其原始波形，并以C 的速度傳播。x + Ct、x - Ct 分別表示沿x 正方向或反方向傳播。

（2）樁身處于非自由狀態(tài)

實際的樁是埋入地層中的，樁身與周圍土體間存在摩擦力。當樁的上端受到?jīng)_擊擾動后，產(chǎn)生的彈性波沿樁身向下傳播。同理，可導出其波動方程：

其中，h為樁周地層對樁的摩擦阻尼系數(shù)，其他的物理符號含義同上，可見，此時樁身內(nèi)的波傳播速度仍為C。

2 檢測原理

通過實測基樁外露部分的瑞利波（R 波）速度，根據(jù)與R 波的關(guān)系換算樁長方向的反射波速，進而測試現(xiàn)役基樁長度。

2.1 基樁中傳播的彈性波分類及關(guān)系

對基樁進行激振后，激振的彈性波具有能量大且集中的特點，將產(chǎn)生多種類型的彈性波，在基樁檢測中主要用到P 波和R 波。根據(jù)振動粒子與彈性波傳播方向的關(guān)系，彈性波主要可以分為［6-8］：

（1）P 波（縱波）：在無限均勻的彈性介質(zhì)中，粒子振動方向與波動傳播方向相同；

（2）R 波（表面波）：在半無限體介質(zhì)中，粒子產(chǎn)生縱向和橫向的合成振動，繞其平衡位置做橢圓軌跡振動。

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果［6］，各種主要類型的彈性波在樁身傳播時，不同彈性波之間的關(guān)系見表1。通過表1可以確定樁長檢測的彈性波波速Vp。其中，Vp為P波波速，VR為表面波（R波）波速。

表1 不同動泊松比與波速比的關(guān)系

2.2 彈性波側(cè)壁法

為了準確實現(xiàn)對現(xiàn)役樁長度進行檢測，需要進行兩方面的工作：準確標定樁身的波速及樁長檢測。

（1）波速標定

為了確定樁身波速，需要對基樁進行開挖，至少露出樁身1000 mm。測點及傳感器布置示意圖如圖3 所示。檢測時，需要對激振點G 及接收點P1、P2進行打磨處理，測點間距（P1與P2間距）為d1，激振距離（P2與G 間距）為d2，且d1= d2=500 mm。通過測試兩個傳感器之間的R 波傳播時間t，并結(jié)合測點間距d1由下式計算樁身的R波波速VR［9］：

圖3 樁身R波波速標定測點布置示意圖

（2）樁長檢測

樁長檢測前，需要在樁頂以下約800 mm 位置對樁身進行打磨處理，并形成傳感器安裝及激振平臺，檢測時將傳感器固定于平臺位置［10］。利用標定確定的沿樁身傳播的彈性波波速VP，并結(jié)合樁底的反射時刻t，進而確定該基樁的樁長。

因大多數(shù)既有基樁具有上部結(jié)構(gòu)，檢測得到的信號復雜，激發(fā)信號在上部、樁底、樁側(cè)等部發(fā)生反射，形成的彎曲波、直達波等信號影響，反射信號很容易淹沒其中，有必要對測試信號進行噪聲處理［11-12］。小波變換對非平穩(wěn)信號具有良好的自適應(yīng)性和優(yōu)越的時頻分析能力，能夠在不同頻域內(nèi)研究反射信號的傳播規(guī)律，提取反映基樁長度和完整性的信息［13-14］。

2.3 小波降噪技術(shù)

基于小波的信號濾波方法，能夠有效濾除上部結(jié)構(gòu)的無用信號，實現(xiàn)對樁底反射信號的提取。采用小波技術(shù)對現(xiàn)役基樁噪聲信號進行降噪的基本步驟如下：

（1）對測試信號進行小波分解，得到各細節(jié)分量（高頻）與近似分量（低頻）。

測試信號f (t)可以展開為：

在絕大部分條件下，有效信號的展開系數(shù)的絕對值要大于噪聲信號，因此，將某一閾值λ 以下的展開系數(shù)wk(j)清零即可達到降噪的目的。確定閾值的方法有多種，比較常用的方法是采用標準偏差σ，對于N 個采樣數(shù)，有：

或者采用標準偏差代替Mx。

此外，對于閾值的截斷，可以采用如圖4 所示的硬閾值或軟閾值：

圖4 閾值截斷方式

（3）用處理后的各分量進行小波重構(gòu)，得到去噪后的信號。

根據(jù)高次（低分辨率）的尺度系數(shù)sk(j)，可以遞歸低次（高分辨率）的尺度系數(shù)sk(j-1)：

即可重構(gòu)f0(t)。

根據(jù)對小波分析的理論研究，將算法集成到既有基樁長度檢測的分析系統(tǒng)中，將進一步提高樁底反射信號的提取精度。

3 基樁樁身波速關(guān)系試驗

3.1 測試對象

被測對象為廣西境內(nèi)某新建高速公路，已經(jīng)完成基樁工程的施工，且基樁已鑿除浮漿層，按照布置方案布置并打磨測點。被測對象設(shè)計強度等級為C30，樁徑1000 mm，設(shè)計樁長為10 m，該基樁為摩擦樁，澆筑時，采用鋼護筒施工，澆筑完成后拔出鋼護筒。

測試現(xiàn)場分別在樁側(cè)測試基樁R 波波速，并根據(jù)R波波速與P 波波速的關(guān)系，確定沿樁身高度方向傳播的P波波速，用于該基樁長度的檢測，從檢測結(jié)果的精度證實檢測流程的可靠性。

3.2 測試結(jié)果

（1）波速測試

根據(jù)上述彈性波側(cè)壁法，分別在基樁側(cè)面測試R 波波速，測試波形示意圖如圖5 所示，波速測試結(jié)果見表2。

圖5 基樁側(cè)壁測試波形

表2 基樁聲速測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，該基樁最終的R波波速為2.093 km·s-1。根據(jù)表1 中各類型彈性波之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即可確定基樁長度方向的P 波波速。根據(jù)相關(guān)資料［15-16］，強度等級為C30 的混凝土的泊松比約為0.2，則VPVR的比值為1.79，則樁長方向的P波速度為3.746 km·s-1。

（2）樁長測試

利用反算的彈性波波速3.746 km·s-1，對該基樁的長度進行檢測，在樁側(cè)開鑿安裝傳感器及激振部位的平臺，傳感器位置與樁頂距離約0.8 m，檢測分析結(jié)果如圖6所示，采用小波去噪后的分析波形如圖7所示。

圖6 未采用小波去噪的分析結(jié)果圖

圖7 采用小波去噪后的分析結(jié)果圖

由圖6 可見，樁底反射前有明顯的反射信號，該反射信號不排除為樁頂既有結(jié)構(gòu)反射信號產(chǎn)生，給樁底位置確定帶來一定干擾，導致測試結(jié)果出現(xiàn)了偏差（圖6中，分析結(jié)果為11.1 m）。采用小波去噪后（圖7），從分析后的波形來看，樁底反射信號明顯，且之前的反射信號基本被處理干凈。經(jīng)過分析，該基樁長度的測試結(jié)果為9.6 m（信號接收點距離樁頂0.5 m），與設(shè)計樁長吻合度高。

由此可見，基于樁身R 波的波速標定方法，能夠有效檢測出既有基樁的長度。通過測試及驗證，可明確現(xiàn)役基樁（無樁頂激振條件的基樁）長度檢測步驟包括：基樁開挖、布置測點、單面法測樁身R 波波速、換算樁長檢測的P波波速及推算P波波速進行基樁長度的檢測。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及驗證案例

為了驗證該檢測方法的可行性及準確度，進行了某涵洞的基樁長度檢測，以避免地鐵修建過程中對其上部基樁承載力的影響。該基樁設(shè)計長度為16 m，設(shè)計強度為C30，樁徑為1000 mm，樁型為摩擦樁，樁頂有承臺。

檢測時，在樁身側(cè)壁垂直的立面布置兩條豎直的測線，用于檢測R波波速。波速檢測結(jié)果見表3。

表3 樁身R波速度檢測結(jié)果

結(jié)合P 波與R 波的關(guān)系，可得出樁身P 波波速為3.8 km·s-1，并以此為基礎(chǔ)對該工程的其余5 根基樁的長度進行檢測。檢測前在樁側(cè)進行開鑿，形成激振及信號接收平臺。檢測結(jié)果典型圖如圖8 所示，檢測結(jié)果見表4。

表4 基樁檢測結(jié)果

圖8 典型檢測波形圖

為了驗證檢測結(jié)果的可靠性，對其中的1#樁進行取芯驗證。取芯結(jié)果為16.0 m，測試結(jié)果與取芯結(jié)果相差小于0.2 m。

由實測基樁外露部分樁側(cè)R 波波速，并根據(jù)其與P波的關(guān)系，換算沿樁長方向傳播的彈性波波速。通過在樁身側(cè)面形成微破損并達到激振及受信條件，實現(xiàn)對基樁長度的檢測。實測及現(xiàn)場的取芯驗證，表明該方案對既有基樁長度檢測的可行性高，能夠用于交通、建筑等行業(yè)既有基樁的樁長檢測，彌補了現(xiàn)有檢測方法的不足，極大地豐富了既有基樁檢測手段。

5 結(jié)束語

由于基樁施工中，樁身混凝土容易受地下水、孔壁雜質(zhì)的影響，易出現(xiàn)樁身混凝土強度異常，由此導致基樁聲速的異常?；诮?jīng)驗波速的基樁長度檢測方法，受混凝土原材料配比、施工工藝等因素影響，經(jīng)驗聲速與實際情況可能出現(xiàn)較大偏差，其樁長的測試結(jié)果很可能因此出現(xiàn)大的偏差。

本文提出的基于側(cè)壁R 波波速的現(xiàn)役基樁長度的檢測方法，通過實測基樁的樁身聲速，能在很大程度上降低因混凝土原材料配比、施工工藝等導致的測試誤差。為彌補現(xiàn)有的現(xiàn)役基樁長度檢測方法的不足，提供了必要而且可靠的檢測方法。

為了進一步提高該方法的檢測精度，還需要行業(yè)相關(guān)單位進行大量應(yīng)用，對該測試方法進行多方面的應(yīng)用驗證，以便該方法得以更高精度地服務(wù)于既有基樁長度檢測。