楊曉峰， 劉東甲， 盧志堂， 陶 俊， 姚 輝

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

在低應(yīng)變動力測樁的理論研究中，對樁的軸向動力響應(yīng)研究［1－6］比較廣泛和深入，工程應(yīng)用中低應(yīng)變檢測的反射縱波法因其經(jīng)濟、輕便快捷而被廣泛采用，但是縱波法也有不足之處：首先其理論基礎(chǔ)是一維線彈性桿的波動理論，當(dāng)樁長和樁身直徑的比值不夠充分大時，將會出現(xiàn)明顯的三維效應(yīng)，可能導(dǎo)致檢測結(jié)果誤判；對于樁的淺部缺陷問題，縱波法有時難以判別，文獻［2］指出，樁的淺部有嚴(yán)重缺陷且激勵脈沖較寬時，波形主要表現(xiàn)出大振幅、低頻寬幅擺動性狀，缺陷以上樁身段的波動性狀不明顯，甚至不能判別出來。

然而，對樁頂作用一沖擊扭矩，獲得樁頂瞬態(tài)扭轉(zhuǎn)動力響應(yīng)或在樁頂側(cè)面施加瞬態(tài)沖擊力，獲得樁頂瞬態(tài)橫向動力響應(yīng)的研究日趨成熟。文獻［7］給出層狀土中多缺陷樁在樁頂沖擊扭矩作用下樁頂扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的解析解，并把樁的扭轉(zhuǎn)振動與縱向振動進行對比，研究了扭轉(zhuǎn)波的部分特征。文獻［8］用有限差分方法給出了層狀不均勻土中非完整樁在瞬態(tài)激振力矩作用下扭轉(zhuǎn)振動響應(yīng)。文獻［9］基于Biot動力固結(jié)理論，研究了樁周徑向非均勻飽和土體的扭轉(zhuǎn)振動問題。

對于樁的橫向振動研究，文獻［10］研究了層狀土中有限長樁在樁頂受到橫向簡諧力作用時樁的簡諧振動，文獻［11］把樁身當(dāng)作Bernoulli－Euler梁，樁周土當(dāng)作 Winkler地基，解析地研究了均勻土中完整樁樁頂受到橫向沖擊荷載時樁的瞬態(tài)橫向動力響應(yīng)。文獻［12］分別把樁身當(dāng)作Bernoulli－Euler梁和Timoshenko梁，得到了不均勻土中非完整樁樁頂受到橫向沖擊荷載時的瞬態(tài)橫向振動問題的解析解。本文將用縱波、扭轉(zhuǎn)波和橫波3種方法檢測模型樁的完整性，并用有限差分方法對3種波在樁中的傳播問題分別進行數(shù)值模擬。

1 實驗設(shè)備與測試方法

實驗設(shè)備采用武漢巖海公司的RS－1616K（s）基樁動測儀、加速度計、尼龍錘、黃油或者牙膏、低應(yīng)變分析軟件等。

對合肥工業(yè)大學(xué)緯地樓前的模型樁進行縱波測試、扭轉(zhuǎn)波測試和橫波測試，其加速度計的位置及激振點位置分別簡述如下。

縱波測試：加速度計置于樁頂面0.5R（R為樁身半徑）處，并且加速度計軸線方向與樁頂面相垂直；用尼龍錘在樁頂面中心處進行激振。

扭轉(zhuǎn)波測試：加速度計平躺置于樁頂面，并且加速度計軸線方向與樁頂面半徑方向相垂直；用尼龍錘在樁頂側(cè)面激振，施力方向與加速度計軸線方向垂直。具體方法可參閱文獻［7］。

橫波測試：加速計置于樁頂側(cè)面，并且加速度計軸線方向與樁頂側(cè)面相垂直；用尼龍錘在樁頂另一側(cè)進行激振。

2 實驗結(jié)果與數(shù)值模擬

本次實驗的模型樁為人工挖孔混凝土灌注樁，樁徑0.8m，樁長7.0m，混凝土強度C25，樁身密度2 400kg／m3，泊松比0.27；場地土層，上部雜填土厚2m左右，下部樁周土與樁底土均為黏性土，黏性土密度1 700kg／m3，剪切波速120m／s，泊松比0.40。1＃樁為完整樁，2＃樁為非完整樁（淺部缺陷樁），在離地表1m左右設(shè)置縮徑缺陷。

分別針對樁頂受沖擊力后樁土系統(tǒng)的縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動和橫向振動定解問題［8，12－13］，用有限差分方法編制程序，得到了樁頂?shù)目v波、扭轉(zhuǎn)波和橫波瞬態(tài)振動速度響應(yīng)。為了便于比較曲線的不同特征，實測曲線和計算曲線都經(jīng)過歸一化處理。

2.1 完整樁多波實測曲線與數(shù)值模擬

圖1給出了低應(yīng)變反射波法完整樁實測縱波波速、扭轉(zhuǎn)波波速、縱波波速隨時間的變化曲線，縱波采樣間隔為14μs，扭轉(zhuǎn)波和橫波采樣間隔為28μs。

圖1 完整樁實測縱波、扭轉(zhuǎn)波、橫波波速曲線

圖2給出了這3種波樁頂質(zhì)點振動波速隨時間變化的數(shù)值計算的曲線。

圖1a中，縱波樁底反射波與入射波同相位，中間的反相位反射經(jīng)分析是模型樁樁周土變硬所致。由武漢巖海公司低應(yīng)變分析軟件（以下簡稱軟件）可觀察到，入射波峰值與樁底反射波峰值（以下均簡稱峰峰值）之間時間差約為3.58ms，縱波波速約為3 900m／s。對比圖2的縱波模擬曲線，其相位特征是一致的。

圖2 完整樁數(shù)值模擬曲線

圖1b中扭轉(zhuǎn)波形十分復(fù)雜，樁底反射波不容易斷定，但通過軟件可觀察到峰峰值時間差約為6.19ms，扭轉(zhuǎn)波波速約為2 260m／s。對比圖2，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)波樁底反射波與入射波同相位，這一特征與縱波相位特征類似，但是其樁底反射波到達時間比縱波的要延遲，驗證了扭轉(zhuǎn)波波速要低于縱波。

圖1c中橫波波形與縱波波形有很大的不同，樁底反射波先是一個反相位反射，接著是一個同相位反射。

對比圖2，實測波形和計算波形大體是一致的，不過，計算圖形有很多小的振蕩，在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大樁徑比，或者增大激振力作用時間，均可消除這些高頻振蕩。

2.2 非完整樁多波實測曲線與數(shù)值模擬

圖3分別給出了低應(yīng)變反射波法淺部缺陷樁實測縱波波速、扭轉(zhuǎn)波波速、縱波波速隨時間的變化曲線，采樣間隔與完整樁情況相同。實測曲線中，入射波后面都有一個同相位的小峰，這便是淺部缺陷引起的反射，在軟件中可觀察到缺陷位置分別位于樁頂以下0.90、0.72、0.74m處，樁底反射波峰峰值時間差比完整樁要有所延長，分別約為3.95、7.0、7.11ms，這可能是因為樁身缺陷使得樁身的平均波速降低，且樁底反射波幅值比完整樁相應(yīng)減小且變得平緩一些。

圖3 非完整樁實測縱波、扭轉(zhuǎn)波、橫波波速曲線

圖4給出了3種波樁頂質(zhì)點振動波速隨時間變化的計算曲線。圖中箭頭由上至下分別指向橫波缺陷反射（R3）、扭轉(zhuǎn)波缺陷反射（R2）及縱波缺陷反射（R1），顯然R2要比R1和R3明顯，即扭轉(zhuǎn)波對淺部缺陷比較敏感，這可能是因為扭轉(zhuǎn)波波速比縱波小，使得淺部缺陷的盲區(qū)減小所致，再者，數(shù)值模擬中由于橫波檢測的激振方式和接收信號位置比較特殊，產(chǎn)生的入射波掩蓋了部分淺部缺陷，且橫波在樁基中的傳播機理和衰減相對更復(fù)雜些，還需要深入探究。計算的橫波波速曲線的樁底反射不如縱波和扭轉(zhuǎn)波明顯，過多的高頻成分影響了對橫波樁底反射的判斷，這是由于激振力作用時間較小時，加劇了一維桿的橫向尺寸效應(yīng)［14－15］。

圖1～圖4中激振力作用時間為1ms，圖5給出了激振力為1.5ms時的完整樁與淺部缺陷樁的橫波計算曲線。圖5表明，雖然增大激振力作用時間可以減少橫向尺寸效應(yīng)造成的高頻振蕩，但是卻掩蓋了淺部缺陷的一次反射波。

圖4 非完整樁數(shù)值模擬曲線

圖5 激振力為1.5ms時的2種樁的計算曲線

3 結(jié) 論

（1）完整樁多波檢測，扭轉(zhuǎn)波的激振比縱波和橫波要困難，對純扭轉(zhuǎn)波信號的獲取影響很大；扭轉(zhuǎn)波的樁底反射波相位和縱波類似，但是橫波樁底反射波先后出現(xiàn)2個相位，這在數(shù)值模擬結(jié)果中也得到了驗證。

（2）淺部缺陷樁檢測，缺陷反射導(dǎo)致樁底反射比完整樁延遲，幅值也變得平緩；橫波對缺陷有較明顯的反應(yīng)，然而在數(shù)值模擬結(jié)果中，扭轉(zhuǎn)波對缺陷的反應(yīng)最敏感；橫波的模擬效果不如縱波和扭轉(zhuǎn)波，樁底反射受高頻振蕩影響而難以識別。

（3）相同模擬條件下，橫波的橫向尺寸效應(yīng)較明顯，適當(dāng)增加長徑比或者增加激振力作用時間可以大大減小橫向尺寸效應(yīng)，但是激振力時間的延長會掩蓋淺部缺陷一次反射波，造成對缺陷位置的誤判。

（4）由于扭轉(zhuǎn)波和縱波的傳播速度比縱波要低許多，對于一定程度的淺部缺陷更容易識別，但是扭轉(zhuǎn)波的激振麻煩，橫波受橫向尺寸的影響比縱波和扭轉(zhuǎn)都明顯，這限制了扭轉(zhuǎn)波和橫波在工程實踐中的推廣應(yīng)用，目前可以作為縱波測試的一種重要輔助手段，這對提高低應(yīng)變動力測樁資料解釋的可靠性將有一定的實際意義。

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