丁 華

（浙江土力勘測設(shè)計院有限公司，浙江 紹興 312000）

0 引言

旁孔透射波法，是指通過在樁頂或承臺頂部激振，同時在樁側(cè)附近與樁身軸線平行的鉆孔中測量激振脈沖的初至?xí)r間和幅度沿孔深的變化情況，從而分析得到樁長和樁身完整性的檢測方法。其最早是用于檢測既有建筑物（含橋梁）的基礎(chǔ)深度［1］，國內(nèi)學(xué)者將該方法引進用于水泥攪拌樁質(zhì)量的檢測［2］，后經(jīng)過廣大檢測工作者的實踐，該方法廣泛應(yīng)用于既有基礎(chǔ)下的基樁樁長和完整性檢測［3-6］，并形成了相關(guān)的檢測規(guī)范標準［7-9］。但不管是理論實例的應(yīng)用分析，還是規(guī)范標準的具體要求，旁孔透射法還是以首波初至?xí)r作為唯一判據(jù)?？捎捎谑艿綐吨芡良皬椥圆▊鞑サ膹?fù)雜性，以及震源錘擊能量無法進行有效的統(tǒng)一固定，致使該方法在單一判據(jù)下測試精度有可能較低。本文則探討分析了在樁端土、完整樁身、缺陷樁身等不同介質(zhì)中，彈性波傳播過程中的頻譜響應(yīng)會存在一定差異，并將其作為旁孔透射波的輔助判據(jù)中，通過工程實例應(yīng)用，表明其可有效提高旁孔透射波測試成果的可靠性。

1 測試原理［10］

如圖 1 所示，介質(zhì)中任一點（O）處所激發(fā)的應(yīng)力波會同時向所有方向進行傳播，并定義任一時刻剛開始振動的點所連接的曲面為“波前”，剛停止振動的點所連接的曲面為“波后”。波前與波后之間的區(qū)間，由于所有的點都處于振動狀態(tài)，則稱之為振動帶。為說明波前是如何向前傳播的，惠更斯提出行進中的波前面上各點可看作是新的次波源，這些次波源經(jīng)過一定時間所形成的新包絡(luò)面，就是原波前面在介質(zhì)中經(jīng)過該段時間傳播后所形成的新波前面?；莞沟倪@種次波假設(shè)，忽略了波的周期特性，因而菲涅爾在惠更斯的基礎(chǔ)上初步給出了次波的相位和振幅表達式，并指出這些次波源間會發(fā)生相干疊加。即在某一點所觀測到的總振動是具有多源特征的，且這里的多源性不僅僅是能量的簡單疊加，還包括不同次波的周期特性（波長、頻率等）。

費馬又指出，波總是沿費時最少的路徑進行傳播的，這個路徑可以用一簇以振動源為中心的射線（見圖 1）來表示，這個射線則總是與波前面垂直的。則在介質(zhì)中傳播的應(yīng)力波，其波前傳播時間可表示成函數(shù)：t=t（x，y，z）。如果能確定該函數(shù)關(guān)系，就可確定不同時間波前的空間分布，則可以通過“時間場”的變化來對應(yīng)力波傳播進行分析。

圖1 波前、波后和射線

當(dāng)應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播遇到介質(zhì)分界面時，在分界面上發(fā)生反射、透射現(xiàn)象，這也是波動的共性。一部分能量返回形成反射波，另一部分透射到下層介質(zhì)形成透射波，如圖 2 所示。其中，應(yīng)力波在界面上傳播應(yīng)滿足斯奈爾定律式（1）。

式中：V1、V2分別為應(yīng)力波在上、下介質(zhì)中的傳播速度；α、β和γ分別為應(yīng)力波的入射角、反射角和折射角，其中，入射角α與反射角β相等；P為射線參量。

旁孔透射波主要用于既有建筑物下的基樁檢測，即在被檢測樁旁布一“平行”測孔，在樁頂（或其附屬的承臺、梁柱等剛性連接件）上豎向敲擊，彈性應(yīng)力波沿被檢測樁身向下傳播，并在樁周與土的介質(zhì)分界面上發(fā)生反射、透射，孔中傳感器接收透射波。由于樁中彈性波的傳播速度遠遠大于樁周土，根據(jù)惠更斯及費馬原理，孔中傳感器最先接收到的必然是沿樁身向下傳播的彈性波，如圖 3 所示。而當(dāng)樁身存在明顯缺陷或進入樁端土?xí)r，必然導(dǎo)致接收到初至波延后，形成一個初至?xí)r的斜率變化拐點。因而，可根據(jù)各點的首波和深度波列圖的斜率的規(guī)律性，分析相鄰測點的首波時間差是否相等，以及樁身各測點首波斜率的一致性，來判斷樁端深度位置及是否存在明顯缺陷。

圖3 旁孔透射波法測試原理示意圖

但由菲涅爾原理可知，孔中傳感器接收到的振動信號實際上是一個多源疊加的總振動，就給實際的初至判別帶來很多干擾因素，從而影響了旁孔透射波的判讀可靠性。且應(yīng)力波從激發(fā)到在介質(zhì)中的傳播，以及最終被測試傳感器接受，其不僅波形會發(fā)生相應(yīng)的變化，能量也會有所衰減。這里能量的衰減是當(dāng)不考慮激發(fā)和接收的條件影響外，則主要受傳播過程中波前擴散、介質(zhì)吸收、反射、透射、波形轉(zhuǎn)換等造成的衰減影響。波前擴散，又稱球面擴散，就是指應(yīng)力波由振源向周圍介質(zhì)傳播，波前面越來越大，由振源形成的振動能量是散布在面積不斷增加的波前面上，致使應(yīng)力波的振幅（即能量）離開振源越遠變得越小。由于旁孔透射波法的孔中傳感器距離激振點的距離是不斷變化的，考慮到這個波前擴散，就無法利用初至波的首波波幅值來作為初至?xí)r的補充輔助判據(jù)。應(yīng)力波的振動能量在傳播介質(zhì)中的衰減，可理解為介質(zhì)對振動能量的吸收，如式（2）所示。

式中：A為波在介質(zhì)中傳播后的振動能量；A0是波進入介質(zhì)時的振動能量；β定義為介質(zhì)的粘滯阻尼系數(shù)，相應(yīng)的 e-βt則稱為阻尼衰減因子，即應(yīng)力波的振動能量按傳播時間呈指數(shù)衰減，衰減大小與介質(zhì)的β有關(guān)；ωn定義為頻率衰減因子，即應(yīng)力波的頻率成分不同其相應(yīng)的衰減程度也是不同的，如式（3）所示（fn為應(yīng)力波頻率）。

當(dāng)應(yīng)力波的頻率fn增高時，其相應(yīng)的頻率衰減因子ωn就增大，對應(yīng)的能量衰減程度就增加；反之亦然。對于完整樁身、缺陷樁身和樁端土等不同介質(zhì)，其對不同頻率成分的彈性波會具有不同的頻率響應(yīng)特征，特別是對高頻波的吸收衰減差異極大，因而可通過分析不同接收道彈性波的頻率響應(yīng)特征，來判別孔中傳感器所處深度位置周邊介質(zhì)特性。

2 工程實例

某 3 層房屋建筑，原基礎(chǔ)采用的是 Φ426 沉管灌注樁，樁長大約 15 m 左右，樁端持力層為砂質(zhì)粉土層。該房屋在使用多年后，西南角處地基下沉，并導(dǎo)致承重墻體開裂，設(shè)計單位在對該房屋出具設(shè)計加固方案前，要求查明該房屋西南角處原基礎(chǔ)質(zhì)量情況。根據(jù)現(xiàn)場情況，在西南角的基礎(chǔ)外地面處布設(shè)-20 m 深的測試孔，按 0.5 m 的測試點距開展了旁孔透射波法測試，激振點選擇在該房屋半層地下室的底板上（按原設(shè)計圖紙對被檢測樁進行了平面投影），測試結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 某被檢測樁旁孔透射波法測試成果波列圖

如果按現(xiàn)行規(guī)范中的時間斜率“拐點”來判定樁端位置的話，則圖 4 的第 6 道和第 11 道似乎都有一個較明顯的“拐點”，且這兩個“拐點”所得到結(jié)果的實際意義是根本不同的。如果按第 6 道判定為樁端位置，那么這個樁的原施工長度是滿足設(shè)計要求的；但按第 11 道作為樁端位置，則該樁原施工樁長不滿足設(shè)計要求，且未進入到持力層，關(guān)鍵還要考慮這個樁短現(xiàn)象，是個例？還是普遍存在？為了更好地辨別樁端位置，對測試數(shù)據(jù)的第 1、6、7、9、10、11 道進行了頻譜分析，如圖 5、圖 6 所示。

圖5 第 1、6、7 道測試數(shù)據(jù)頻譜分析圖

圖6 第 9、10、11 道測試數(shù)據(jù)頻譜分析圖

第 1 道位于孔底處，深度對應(yīng)的是樁端土，本次測試采用的孔中傳感器自然頻率為 100 Hz，由圖 5 可知，其頻率響應(yīng)的主頻和主能量區(qū)均與傳感器的自然頻率相當(dāng)。第 6 道測試數(shù)據(jù)的頻率響應(yīng)相較于第 1 道，在 300 Hz附近有一個相對較強的高頻響應(yīng)，等孔中傳感器進入到第 7 道，高頻響應(yīng)信號的能量明顯增加。在對比圖 6 的第 9～11 道的頻譜圖，均有明顯的高頻響應(yīng)特征，因此，推斷第 6 道的首至波時“拐點”位置為樁端位置，即施工樁長是滿足原設(shè)計要求的。但將第 9 道和第 11 道的頻譜圖，與第 10 道相比，低頻響應(yīng)能量較豐富，表明在第 9 道和第 11 道附近的樁身剛度相對偏低，推測樁身存在一定的缺陷。

另外，在第 29～31 道的頻譜相應(yīng)圖（見圖 7）上發(fā)現(xiàn)存在較強的低頻響應(yīng)特征。特別是第 30 道，高頻響應(yīng)信號較弱，雖然該處的首至波時沒有出現(xiàn)明顯的后延現(xiàn)象，但相較圖 6 的第 9 道和第 11 道測試信號，其高頻部分能量都偏弱，并考慮該段位于樁身淺部，接收到的激振波能量較強。因而，推測在第 30 道深度附近（樁頂下3.0 m 左右）的樁身存在較明顯缺陷。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，推測該被檢測樁樁長是符合原設(shè)計要求，但樁身多處存在缺陷，特別是樁頂下 3.0 m 左右處的缺陷較嚴重，這個缺陷有可能在房屋建成后受長期荷載的作用影響，剛性下降致使該處基礎(chǔ)下沉并導(dǎo)致房屋承重墻體開裂。這一測試結(jié)果也成為了后期加固設(shè)計的重要依據(jù)，對加固后的房屋進行了后期建筑變形監(jiān)測，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 第 29、30、31 道測試數(shù)據(jù)頻譜分析圖

3 結(jié)語

在既有建筑物下基樁的樁長和完整性情況檢測工作中，在相關(guān)工程技術(shù)人員的實踐應(yīng)用下，旁孔透射波法的有效性已得到的眾多工程實證。但由于孔中傳感器接收到的振動信號是一個多源疊加的總振動，且彈性波的傳播和樁周土作用的復(fù)雜性，使得基于惠更斯和費馬原理的首至波時單一判據(jù)，在部分工程應(yīng)用中會存在諸多困難與不足。本文基于彈性波在不同介質(zhì)傳播過程中的頻率響應(yīng)特征差異，提出可通過對各個測試道測試數(shù)據(jù)進行頻譜分析，將頻率響應(yīng)特征作為旁孔透射波法的一個輔助判據(jù)。并通過一個工程實例驗證了該分析方法的有效性，以期能為相關(guān)技術(shù)人員提供參考，更好地服務(wù)于工程檢測工作。Q