【摘要】低應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的基本原理是利用脈沖回波法和聲波反射法，在一個(gè)樁基的表面安裝一個(gè)加速度傳感器，從信號(hào)的反射特征來(lái)判斷樁基的質(zhì)量問(wèn)題。該測(cè)試技術(shù)不僅在測(cè)試鉆孔灌注樁而且在測(cè)試打入樁的樁基完整性方面都得到了廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)最主要的就是對(duì)速度信號(hào)的正確判讀，首先，樁基中混凝土的應(yīng)力波速是一個(gè)重要的未知量，它將會(huì)對(duì)樁長(zhǎng)的判斷產(chǎn)生一定的影響。其次，在進(jìn)行樁基測(cè)試過(guò)程中，樁本身分布不均勻或其可能與上部建筑物相連，導(dǎo)致樁中的應(yīng)力波同時(shí)具備下行波和上行波。研究人員要將這兩次反射現(xiàn)象很好的區(qū)分出來(lái)，避免對(duì)樁基完整性的判斷出現(xiàn)誤差。因此，通過(guò)雙速度可以更好的測(cè)量樁基的完整性。

【關(guān)鍵詞】樁基完整性；低應(yīng)變測(cè)試；雙速度

1. 前言

在對(duì)工程中的基樁進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，一般采用低應(yīng)變反射波法，這種方法與其它方法比較起來(lái)相對(duì)比較簡(jiǎn)單、直觀，因此該測(cè)試技術(shù)不僅在測(cè)試鉆孔灌注樁而且在測(cè)試打入樁的樁基完整性方面都得到了廣泛的應(yīng)用。樁基的低應(yīng)變測(cè)試技術(shù)在世界上的很多國(guó)家都得到了廣泛的應(yīng)用，該方法只需在一個(gè)樁基的表面安裝一個(gè)加速度傳感器，并用手錘敲擊樁頂，從信號(hào)的反射特征來(lái)判斷樁基的質(zhì)量問(wèn)題。

建筑工程師可以通過(guò)該技術(shù)對(duì)模擬樁進(jìn)行測(cè)試，以獲得建筑樁所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。對(duì)于一根相對(duì)比較均勻的樁基來(lái)說(shuō)，地面獲得的反射是樁端的反射，在已知波速的情況下，通過(guò)該方法可以預(yù)測(cè)出未知樁的樁長(zhǎng)。但是，如果樁的頂端處于被限制的情況下，用該技術(shù)進(jìn)行測(cè)試就比較困難了。因此，經(jīng)過(guò)科學(xué)家的努力，研發(fā)出了一套可以有效解決上述問(wèn)題的新技術(shù)。該技術(shù)的是沿著樁身獲得兩個(gè)加速度信號(hào)，相應(yīng)的對(duì)應(yīng)著兩個(gè)傳感器的距離，通過(guò)這個(gè)過(guò)程可以很好的確定應(yīng)力波的波速，進(jìn)一步分析可以獲得樁的長(zhǎng)度。該技術(shù)對(duì)非均勻樁的測(cè)試也得到了很好的效果。

2. 低應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的原理

低應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的基本原理是在一個(gè)樁基的表面安裝一個(gè)加速度傳感器，并用手錘擊打樁頂。當(dāng)手錘擊打樁頂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一維應(yīng)力波，該波在樁基中以速度c（c2=E/ρ）進(jìn)行傳播。這個(gè)時(shí)候?qū)⒃诘孛娼邮盏降募铀俣刃盘?hào)有效的轉(zhuǎn)換成速度信號(hào)，并在一定的時(shí)間區(qū)域上顯示出來(lái)，通過(guò)對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行分析，從而對(duì)樁基的質(zhì)量進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)。在進(jìn)行樁基質(zhì)量測(cè)定時(shí)，常常會(huì)因?yàn)橥磷枇妥杩沟淖兓鹚俣刃盘?hào)的改變?？梢酝ㄟ^(guò)樁的截面積A乘上彈性模量E在除以應(yīng)力波速度C，最后可以得到樁基的阻抗Z（即Z=EA/C）。導(dǎo)致樁基阻抗發(fā)生變化的因素很多，主要有混凝土的性質(zhì)和質(zhì)量和樁基截面積的變化等，樁阻抗的增加會(huì)導(dǎo)致樁頂實(shí)測(cè)速度信號(hào)的減弱，相反，則會(huì)導(dǎo)致樁頂實(shí)測(cè)信號(hào)的增強(qiáng)。

當(dāng)樁的阻抗發(fā)生變化（從Z1-Z2）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分應(yīng)力波發(fā)生反射。當(dāng)樁基的阻抗發(fā)生一定的變化時(shí)，入射波被認(rèn)為是反射波的反函數(shù)，反射波與入射波的關(guān)系式如下：

Fd = Fi ×（2×Z2）/（Z1+Z2） （1）

Fu = Fi ×（Z2-Z1）/（Z1+Z2） （2）

上述公式中Fd為透射波，F(xiàn)u為反射波，F(xiàn)i為輸入波。當(dāng)一個(gè)樁的樁基是均勻樁時(shí)，規(guī)定Z1=Z2，此時(shí)的入射波在樁基中傳播時(shí)不會(huì)發(fā)生改變。在樁基的頂端時(shí)，Z2=0，入射波會(huì)被完全反射回來(lái)，其值即為輸入波Fi。

對(duì)于一個(gè)彈性的均勻樁基，從一維波動(dòng)方程可知，其樁基上任何位置x，可以通過(guò)下式表示其任意時(shí)刻t的通解，

u（x，t）= f（x - ct）+ g（x + ct） （3）

在（3）式中，g（x + ct）是樁基的上行波，f（x - ct）是樁基的下行波。如果在樁基中某質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為V，且該點(diǎn)的總應(yīng)力被規(guī)定為σ，通過(guò)一定的疊加運(yùn)算可以得到下式：

σ（x，t）=σ↓（x，t）+σ↑（x，t） （4）

V（x，t）= V↓（x，t）+ V↑（x，t） （5）

（4） 、（5）中的箭頭表示波在樁基中的傳播方向。

Henchoz和Lundberg在1977年就提出了上下行波可以測(cè)定樁身任意兩個(gè)位置的應(yīng)變情況。但是，現(xiàn)在的新技術(shù)與其相比有了很大的進(jìn)步，現(xiàn)在的測(cè)試系統(tǒng)可以有效的將獲得的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的速度信號(hào)。此外，將公式（3）進(jìn)行分析可以得到樁基中應(yīng)力和質(zhì)點(diǎn)速度的關(guān)系，其對(duì)應(yīng)的關(guān)系式如下：

σ↓= ρCV↓ σ↑= -ρCV↑ （6）（7）

上式中ρ被規(guī)定為材料的質(zhì)量密度

C被稱為材料的應(yīng)力波速度

通過(guò)兩個(gè)傳感器之間的距離和時(shí)間可以非常容易的確定應(yīng)力波的波速V。由于樁基的應(yīng)力與定值ρC成正比，與質(zhì)點(diǎn)的速度也呈正相關(guān)。Henchoz和Lundberg將樁基的下行應(yīng)力波轉(zhuǎn)化為樁基的速度波，得到下式：

V↓（t）= V（t）- V（t-T）+ V↓（t-2T） （8）

式中 V（t）為傳感器在時(shí)刻t得到的樁基實(shí)測(cè)速度

V↓（t）為傳感器在時(shí)刻t得到的樁基實(shí)際速度

T為應(yīng)力波在樁基中通過(guò)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差

對(duì)于樁基中測(cè)得的上行速度V↑，可以用式（5）和（8）聯(lián)合求得：

V↑（t）= V（t）- V↓（t） （9）

因此，對(duì)樁基的兩個(gè)不同部位進(jìn)行測(cè)量，得到兩個(gè)不同的加速度信號(hào)，可以通過(guò)這兩個(gè)加速度信號(hào)求出樁基相應(yīng)位置上的上下行速度分量。通過(guò)這些信號(hào)可以有效的判斷出樁基的樁底反射和樁阻抗的變化情況。

3. 對(duì)模型樁進(jìn)行低應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)

對(duì)于一個(gè)4m長(zhǎng)的模型樁，在模型樁上分別安裝兩個(gè)傳感器，分別位于樁頂?shù)?.5m和0.9m處。下圖為樁的兩個(gè)傳感器位置測(cè)得的加速度信號(hào)，并進(jìn)過(guò)一定的運(yùn)算轉(zhuǎn)化成的速度曲線。

速度曲線圖

從上圖可以清楚的看出，樁頂?shù)拿}沖波通過(guò)傳感器向樁的下面?zhèn)鬟f，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后返回到原來(lái)的傳感器位置。當(dāng)入射波的傳播距離超過(guò)兩倍傳感器以下長(zhǎng)度時(shí)，樁上的每一個(gè)傳感器都將樁底的反射記錄了下來(lái)，曲線上標(biāo)出的第二次輸入脈沖表示的是樁基中的反射波反射到樁頂之后又通過(guò)樁基反射回來(lái)的結(jié)果。

從上圖可以發(fā)現(xiàn)，Vel與V2之間的時(shí)間差△t與傳感器之間的距離△L具有如下的關(guān)系式：

C = 2△L/△t （10）

由于樁基中兩個(gè)傳感器之間的距離是可以測(cè)量的，可以從曲線圖上獲得Vel與V2之間的時(shí)間差△t，這樣通過(guò)一定的計(jì)算就可以求出波在樁基中的傳播速度，進(jìn)而可以計(jì)算出樁基的實(shí)際長(zhǎng)度。

均勻樁的半正弦輸入脈沖速度曲線

上圖代表一個(gè)均勻樁的半正弦輸入脈沖速度曲線，樁基頂部的脈沖通過(guò)樁基上的傳感器向樁基的下面?zhèn)鬟f，并最終返回到樁基中傳感器的位置。在圖中的Vel1和Vel2曲線中，可以看出是一個(gè)脈沖波，其是反射波經(jīng)過(guò)樁頂然后又經(jīng)過(guò)傳感器反射回來(lái)的結(jié)果。

非均勻樁的速度曲線

上圖顯示的是一個(gè)非均勻樁的速度曲線，在樁基的10.7m處，有一個(gè)樁基阻抗減少的面，大約減少了60%。由于樁阻抗的減少面出現(xiàn)在了樁長(zhǎng)的1/2處，所以可以得出第二次阻抗減少面應(yīng)該在距離樁頂?shù)?4.4m處。從圖中的Vel1及對(duì)應(yīng)的上下行曲線可以非常清楚的看出在30.5m處有明顯的樁底反射現(xiàn)象。

4. 對(duì)樁基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了更好的證實(shí)低應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的效果，我們?cè)谝粋€(gè)正在施工的建筑物中進(jìn)行了15根樁基的雙速度測(cè)試，結(jié)果顯示該技術(shù)測(cè)試的結(jié)果與傳統(tǒng)技術(shù)測(cè)試的結(jié)果比較吻合，基本上可以滿足建筑行業(yè)的需求。測(cè)試結(jié)果如下圖：

樁基頂部傳感器測(cè)得的速度曲線

雙速度傳感器測(cè)得的曲線

5. 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)樁基進(jìn)行低應(yīng)變兩點(diǎn)加速度測(cè)試，可以很好的獲得樁基應(yīng)力波和上下行速度波。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析可以對(duì)樁基的缺陷和完整性進(jìn)行判斷，并進(jìn)一步求出樁基的長(zhǎng)度。

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