基于雙速度法的通信單管塔單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)

李祥君，張 博

(中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100176)

雙速度法是運(yùn)用“一維波動(dòng)理論”，通過(guò)加速度、速度、內(nèi)力和阻抗等參數(shù)來(lái)分析樁基完整性的一種低應(yīng)變測(cè)試方法[1]。該方法將樁基簡(jiǎn)化為一根材料相同且均勻的連續(xù)直桿，通過(guò)敲擊樁頂使樁身中產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)在阻抗變化界面生成反射波和投射波，樁身上的傳感器接收反射波信號(hào)，對(duì)接收到的反射波進(jìn)行放大、降噪等處理，依據(jù)波形圖來(lái)分析判斷樁基完整性。使用該方法檢測(cè)通信單管塔單樁基礎(chǔ)時(shí)，單樁基礎(chǔ)樁頂以下1～3 m處存在大直徑的地腳螺栓以及上、下兩個(gè)定位盤，使得樁頂部分的反射波十分復(fù)雜，不利于檢測(cè)的分析與判斷；其優(yōu)點(diǎn)在于，單管塔的單樁基礎(chǔ)一般為樁長(zhǎng)6～12 m的剛性灌注樁，樁長(zhǎng)穩(wěn)定且已知，利用雙速度法測(cè)出波速后便可以計(jì)算出樁長(zhǎng)[2]。

唐勇等[3]認(rèn)為雙速度法可以應(yīng)用于樁基檢測(cè)中，但在無(wú)承臺(tái)條件下的優(yōu)勢(shì)不明顯。趙冉等[2]通過(guò)工程實(shí)例研究后認(rèn)為雙速度法可以用于在役樁基的完整性檢測(cè)。楊芒生等[4]研究了輸電鐵塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)，認(rèn)為可以通過(guò)上行波的特征判斷鐵塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的完整性。雖然建筑及電力行業(yè)在低應(yīng)變法的應(yīng)用上已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，但在通信行業(yè)尤其在單管塔單樁基礎(chǔ)方面還缺少相應(yīng)的研究。

文章主要通過(guò)相關(guān)公式推導(dǎo)出相應(yīng)的理論依據(jù)，對(duì)青海地區(qū)22座通信單管塔的單樁基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)完整性檢測(cè)，并與當(dāng)?shù)鼐S護(hù)站的常規(guī)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證雙速度法檢測(cè)通信單管塔單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完整性的可行性。

1 主要原理

1.1 低應(yīng)變法基本原理

1.1.1 低應(yīng)變法基本假設(shè)

分析時(shí)，有以下假設(shè)：① 樁為連續(xù)一維的均質(zhì)彈性桿件；② 應(yīng)力波傳播不受樁側(cè)土的影響；③ 樁在軸向變形時(shí)橫截面運(yùn)動(dòng)方式為平動(dòng)，沿截面的軸向應(yīng)力均勻分布；④ 入射波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于樁的直徑，小于樁的長(zhǎng)度。

1.1.2 低應(yīng)變法公式推導(dǎo)

若基本假設(shè)成立，質(zhì)桿變形時(shí)，質(zhì)點(diǎn)位移L，波位移u、應(yīng)變?chǔ)?、質(zhì)點(diǎn)速度v和應(yīng)力σ都是關(guān)于x和t的函數(shù)。桿件受力分析模型如圖1所示。

圖1 桿件受力分析模型

在桿件上取微元dx，則微元dx所受到的外力F為

F=σE

(1)

根據(jù)牛頓定律和式(1)，可得

F=ma=AEε=AρdL·a

(2)

式中：E為樁的彈模；A為樁橫截面積；ρ為樁的體積密度；a為加速度。

根據(jù)胡克定律和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可得

(3)

(4)

根據(jù)式(3)和(4)推導(dǎo)，可得

(5)

(6)

根據(jù)式(2)和(5)推導(dǎo)，可得

(7)

(8)

根據(jù)“一維波動(dòng)理論”建立微元dx的慣性力方程

(9)

(10)

根據(jù)式(8)和(9)可得

(11)

1.2 雙速度法的基本原理

雙速度法檢測(cè)原理如圖2所示，圖中樁長(zhǎng)為L(zhǎng)；K1、K2為加速度傳感器，深度分別為y1和y2；K3為缺陷，深度為y3，t1～t6分別為激振波被傳感器接收的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；則有

圖2 雙速度法檢測(cè)原理示意

(16)

(17)

(18)

由于通信單管塔的單樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度大多為6～15 m，且一般為灌注樁，長(zhǎng)度大多可以確定，可將測(cè)出的樁長(zhǎng)L與設(shè)計(jì)圖紙中的樁長(zhǎng)相比較，判斷c值的準(zhǔn)確度。根據(jù)式(17)計(jì)算出缺陷位置后再根據(jù)儀器顯示的相應(yīng)波形特征結(jié)合材料、施工工藝和順序等分析出缺陷的性質(zhì)[5-12]。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)背景

應(yīng)海西鐵塔公司維護(hù)部的要求，對(duì)青海省海西蒙古族藏族自治州的22座鐵塔進(jìn)行檢測(cè)。海西州為“三山(祁連山、昆侖山、阿爾金山)夾一盆(柴達(dá)木盆地)”地形，其境內(nèi)鹽堿含量極高，以茶卡鹽湖及察爾汗鹽湖地區(qū)為最。高堿環(huán)境對(duì)建筑基礎(chǔ)的侵蝕破壞極大、極快，通信鐵塔設(shè)計(jì)服役年限為50 a，在此期間，一旦基礎(chǔ)被破壞，將對(duì)鐵塔造成致命威脅。檢測(cè)站點(diǎn)均位于茶卡鹽湖以及察爾汗鹽湖區(qū)域，服役年限均在10 a以上。雙速度法檢測(cè)與維護(hù)站的超聲波檢測(cè)將同時(shí)進(jìn)行，超聲波檢測(cè)的結(jié)果將用于與雙速度法檢測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

采用RSM-PRT(M)型基樁低應(yīng)變檢測(cè)儀，檢測(cè)時(shí)將一個(gè)傳感器置于樁頂，樁基礎(chǔ)側(cè)壁開(kāi)挖0.3 m后放置第二個(gè)傳感器，加上樁外伸出地面的0.2 m，兩個(gè)傳感器的間距為0.5 m。其中茶卡鹽湖區(qū)域檢測(cè)14個(gè)基站，察爾汗鹽湖檢測(cè)8個(gè)基站，檢測(cè)基站分布如圖3所示。檢測(cè)儀器讀取數(shù)據(jù)與缺陷位置分析結(jié)果如表1所示。

圖3 檢測(cè)基站分布

表1 檢測(cè)儀器讀取數(shù)據(jù)與缺陷位置分析結(jié)果

如表1所示，檢測(cè)儀可讀取出波的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，t1，t2為下行波經(jīng)過(guò)兩傳感器的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；t3，t4為由缺陷位置產(chǎn)生的反射波上行經(jīng)過(guò)兩傳感器的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；t5，t6為由樁底產(chǎn)生的反射波上行經(jīng)過(guò)兩傳感器的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。波速c可由儀器自動(dòng)計(jì)算得出，樁長(zhǎng)及缺陷位置可由數(shù)據(jù)導(dǎo)出后計(jì)算機(jī)分析得出。

用時(shí)間參數(shù)求出波速和樁長(zhǎng)后，與設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)相比，誤差均在0.2 m內(nèi)，說(shuō)明采用雙速度法測(cè)量樁長(zhǎng)是可行的。其中19號(hào)和20號(hào)基站的樁出現(xiàn)缺陷，筆者通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出了缺陷位置，分別位于距離樁頂2.3 m和4.6 m處。

5號(hào)基站位于7號(hào)基站北側(cè)1.2 km處，維護(hù)人員同時(shí)進(jìn)行超聲波檢測(cè)和雙速度法檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)樁基異常。5號(hào)基站檢測(cè)波形如圖4所示，除因上部地腳螺栓部分造成的紊亂外，波形以平穩(wěn)狀態(tài)緩慢減益，符合無(wú)損樁基的反射波形狀。

圖4 5號(hào)基站檢測(cè)波形

7號(hào)基站位于茶卡鹽湖，距離茶卡鹽湖中央湖區(qū)僅120米，服役時(shí)間超過(guò)10 a，為高45 m的單管景觀塔基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為9.8 m，屬人工挖孔灌注樁，采用C30混凝土。維護(hù)站技術(shù)人員經(jīng)超聲波及其他檢測(cè)辦法測(cè)得其距離樁頂2.35 m左右出現(xiàn)擴(kuò)徑缺陷。7號(hào)基站檢測(cè)波形如圖5所示，發(fā)現(xiàn)上行波圖像出現(xiàn)明顯紊亂，經(jīng)儀器降噪處理后測(cè)得缺陷位置在距離樁頂2.3 m處，與超聲波檢測(cè)結(jié)果誤差很小，基本可確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

圖5 7號(hào)基站檢測(cè)波形

20號(hào)基站位于察爾汗鹽湖，距離位于鹽湖中央湖區(qū)邊緣，服役時(shí)間為13 a，維護(hù)站確認(rèn)其曾在春汛期間被鹵水淹沒(méi)。20號(hào)基站為高30米的景觀塔，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為7 m，屬人工挖孔灌注樁，采用C30混凝土灌注。維護(hù)站技術(shù)人員經(jīng)超聲波檢測(cè)及其他檢測(cè)辦法發(fā)現(xiàn)距離樁頂4.6 m處出現(xiàn)離析與侵蝕缺陷。20號(hào)基站檢測(cè)波形如圖6所示，發(fā)現(xiàn)兩傳感器接收到的波形出現(xiàn)紊亂，上行波波形也出現(xiàn)明顯紊亂，說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

圖6 20號(hào)基站檢測(cè)波形

3 結(jié)論

通過(guò)推導(dǎo)雙速度法的原理并將雙速度法應(yīng)用于上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的通信單管塔單樁基礎(chǔ)的缺陷檢測(cè)，得出以下結(jié)論。

(1) 雙速度法測(cè)定樁長(zhǎng)結(jié)果比較準(zhǔn)確，可以根據(jù)圖紙雙向驗(yàn)證波速。

(2) 雙速度法可以準(zhǔn)確測(cè)定缺陷的位置，上部結(jié)構(gòu)形成的干擾不影響檢測(cè)結(jié)果。