樁基檢測(cè)中低應(yīng)變反射波法的實(shí)踐應(yīng)用

摘 要：費(fèi)用低、檢測(cè)速度快和檢測(cè)覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)的低應(yīng)變檢測(cè)在基樁完整性檢測(cè)中的應(yīng)用十分廣泛。在低應(yīng)變檢測(cè)中，又以發(fā)射波法應(yīng)用較為普遍。依據(jù)低應(yīng)變反射波法工作的基本原理和大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了該方法在測(cè)樁基結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)的反射波特征等，以確定缺陷類型。

關(guān)鍵詞：樁基檢測(cè)；低應(yīng)變反射波法；實(shí)踐；應(yīng)用

引 言

隨著我國(guó)客運(yùn)專線、高鐵、地鐵的興起，大型的鐵路運(yùn)輸橋梁也越來越多的被修建，采用樁基礎(chǔ)的橋梁形式也越來越普遍。然而這就要求對(duì)樁的質(zhì)量、可靠性進(jìn)行檢測(cè)，然而檢測(cè)中使用最普遍的還要數(shù)低應(yīng)變反射技術(shù)。

1 低應(yīng)變反射波法的基本原理

反射波法檢測(cè)技術(shù)是以一維波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的。當(dāng)入射的波長(zhǎng)大于樁徑即、樁長(zhǎng)大于樁徑即：λ>D、L>D時(shí)，基樁可以視為一維彈性桿件。如果我們?cè)跇俄斒┮约ふ窳?，基樁中?huì)激發(fā)出彈性壓縮波，這一縱向彈性應(yīng)力波具有波的特性，遵循波的傳播規(guī)律，它以速度C沿樁身向下傳播。根據(jù)一維波動(dòng)理論我們可以得知，彈性桿中的波阻抗是表征介質(zhì)材料在動(dòng)荷載下力學(xué)特征的基本數(shù)據(jù)，它是彈性趕件的橫截面積、材料密度和材料彈性模量的函數(shù)即：Z=E·A/C=ρ·C·A。式中：Z-波阻抗（N·S/m）；C-應(yīng)力波波速（m/s）；E-彈性模量（N/m2）；ρ-材料密度（kg/m3）；A-橫截面積（m2）。應(yīng)力波沿著樁身向下傳播，依據(jù)波的傳播規(guī)律，當(dāng)樁身的介質(zhì)發(fā)生變化即樁身波阻抗發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)力波將在介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生反射與透射。具有速度快、成本低和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的低應(yīng)變反射波法，在各類工程檢測(cè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，其反映宏觀的工程質(zhì)量，是無法被其他技術(shù)所取代的。其工作原理是通過重力錘在樁頂施加豎直向下的壓力，脈沖以波的形式在樁體進(jìn)行傳播，傳播過程中波遇樁體發(fā)生變化，通過安裝在樁頂?shù)膽?yīng)力傳感接收器接收應(yīng)力波的變化，從而斷定樁身是否完整。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢測(cè)

用樁基作為基礎(chǔ)的某建筑群，其人工挖孔樁456跟。灌注樁837跟。上部結(jié)構(gòu)是多層房屋時(shí)用的是灌注樁，混凝土采用強(qiáng)度C30的混凝土，樁長(zhǎng)12m，樁徑0.8m；當(dāng)上部結(jié)構(gòu)是大空間的廠房時(shí)，樁基礎(chǔ)用的是人工挖孔樁，除樁長(zhǎng)為15m，其他條件同上。

2.1 檢測(cè)所具備的條件

（1）樁基的設(shè)計(jì)圖紙、施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料、樁基的施工記錄、樁基的分布圖。

（2）檢測(cè)儀器：電腦主機(jī)、力錘、儀器電量、加速度傳感器接線頭運(yùn)行是否正常，耦合劑等是否安全。

（3）參數(shù)的設(shè)定：打開儀器，選擇測(cè)試模式，輸入工程名稱、樁號(hào)、樁徑、樁長(zhǎng)、波速等一系列參數(shù)。

（4）加速計(jì)的放置：把加速計(jì)放置于提前磨平的樁頂位置處，用耦合劑將其粘貼牢。

（5）樁頭的處理：用工具將樁頂?shù)母{鑿去，露出樁體的混凝土面。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)的收集和分析

依據(jù)實(shí)踐得出的數(shù)據(jù)以及檢測(cè)過程中出現(xiàn)的一些問題，以下對(duì)影響檢測(cè)的因素進(jìn)行了具體分析。

2.2.1 樁頭的處理及平整度的影響

樁頭的處理，在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集過程中是十分關(guān)鍵的。要想采集到較為理想的數(shù)據(jù)（波形），就必須對(duì)樁頭進(jìn)行細(xì)致的處理，不然就會(huì)為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來麻煩。通常常見的是樁頭浮漿清理的不干凈，收集到的波形不理想，不能客觀地反映樁身的完整性。

如圖1（a）為未清理浮漿前收集到的波形，可以看出樁頭松散，只有這種情況才會(huì)產(chǎn)生這種震蕩波形。圖1（b）是浮漿清理后的收集到的波形，清理后震蕩波形消失了，可以看出樁體有輕微的擴(kuò)徑，樁體缺陷部位體現(xiàn)得十分清楚，此波可取。

操作時(shí)的建議：樁頭應(yīng)露出含骨料的混凝土面層，傳感器的粘貼位置與敲打的位置要打磨平整、敲擊時(shí)不要敲碎、弄完后要處理干凈。若敲擊時(shí)敲擊處出現(xiàn)破碎等情況，要重新打磨另一敲擊點(diǎn)。

2.2.2 錘擊位置對(duì)檢測(cè)的影響

實(shí)心樁的激振點(diǎn)要選擇在樁中心位置。但是在檢測(cè)過程中，錘擊位置不能總完全定位在樁中心位置處，以下為不同錘擊位置檢測(cè)比較。圖2為不同錘擊點(diǎn)對(duì)波形的影響。

對(duì)比以上兩種波形：①錘擊點(diǎn)在中心，波峰到波峰所用時(shí)是△t=6.22ms，C30混凝土中應(yīng)力波的傳播速度為v=3800m/s，依據(jù)公式可得出L=11.818m，與設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)12m的相對(duì)誤差是12-11.818/11.818=0.0154其誤差值在5%以內(nèi)，所以滿足要求。②當(dāng)錘擊不在中心時(shí)，波峰到波峰所用時(shí)是△t=6.31ms，C30混凝土中應(yīng)力波的傳播速度為v=3800m/s，依據(jù)公式得出L=11.989m，計(jì)算同上可得出相對(duì)誤差為0.0009，其也滿足要求。錘擊樁中心和不錘擊樁中心的相對(duì)誤差11.989-11.818/11.818=0.145p0.05依據(jù)此原理可得出錘擊位置不同，雖然出現(xiàn)一些誤差，但是這些誤差都在循序范圍以內(nèi)，不會(huì)影響樁身質(zhì)量的優(yōu)劣判斷。

依據(jù)以上分析表明：錘擊的位置對(duì)波形的收集影響很小，若果在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)該按照要求選在樁的中心處。樁的頂面應(yīng)該自由、密實(shí)、平整。

2.2.3 錘擊速度對(duì)檢測(cè)的影響

錘擊速度的快慢決定能量的大小。如果速度慢，則能量小，應(yīng)力波就相應(yīng)的衰減，因此就看不到樁底反射與樁下部缺陷；若果速度快，則能量大，但是錘擊速度過快就會(huì)出現(xiàn)樁頂混凝土酥松現(xiàn)象。實(shí)際檢測(cè)過程中，依據(jù)多次反復(fù)試驗(yàn)，最終測(cè)得錘擊速度對(duì)檢測(cè)波形的收集同樣存在影響。圖3為不同錘擊速度下的波形圖。

綜上所述：錘擊速度沒有太大的影響，曲線成大致相同的趨勢(shì)，實(shí)際檢測(cè)過程中，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)的條件調(diào)試合適的速度。

2.2.4 加速度傳感器粘貼位置對(duì)檢測(cè)的影響

反射波法對(duì)傳感器有特殊要求.傳感器和激振點(diǎn)要保持較近的距離，用來記錄幾十米長(zhǎng)的樁身反射信號(hào)，與此同時(shí)，強(qiáng)烈的激振信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生畸變。因此傳感器必須要有足夠的量程與良好的阻尼特性。我們所檢測(cè)的基樁，由于其材料特性及激振條件，要求接受到的信號(hào)頻率在100Hz-1.5Hz之間。如果要記錄滿意的波形信號(hào)，就必須在良好的激振條件和適應(yīng)的檢波器的結(jié)合下才能實(shí)現(xiàn)。常用的速度的諧振頻率一般為F=5Hz-40Hz，帶寬10Hz-2KHz，符合波形記錄條件的要求。實(shí)際檢測(cè)過程中將速度傳感器與加速度傳感器對(duì)比檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，速度傳感器得到的波形曲線對(duì)淺層缺陷反應(yīng)影響不太明顯，高靈敏的加速度傳感器得到的波形曲線無震蕩而且缺陷很明顯。

《建筑樁基檢測(cè)規(guī)范》JGJ106-2003[2]8.3.3第二條要求“測(cè)量傳感器安裝位置宜為距樁心2/3半徑處”。實(shí)際檢測(cè)過程中進(jìn)行多次反復(fù)檢測(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器在樁徑的1/2R～2/3R范圍時(shí)，得到的波形曲線是直觀可行的，能將樁體的缺陷直觀的表達(dá)出來。

圖4是傳感器粘貼位置影響下的波形圖。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，檢測(cè)樁長(zhǎng)的對(duì)比值呈現(xiàn)在表1中。

綜合表1與波形曲線的參數(shù)得出，1/2R～2/3R范圍內(nèi)的波形表達(dá)的信息比較全，缺陷位置清晰明了。在1/2R～2/3R范圍以外的波形也有樁底反射，但是不夠明顯，而且缺陷表達(dá)的也不夠清晰。

2.2.5 錘頭特性對(duì)檢測(cè)的影響

錘擊的過程中有兩種不同的錘頭，柔性錘頭與剛性錘頭。柔性錘頭可以產(chǎn)生比較寬的初始波，對(duì)樁底反射很有利，但是會(huì)降低樁身缺陷的分辨率；剛性錘頭可以激發(fā)出高頻脈沖波，對(duì)淺部缺陷處的分辨率有較好地提高，但是容易衰減高頻波。

錘擊會(huì)產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)則會(huì)形成波動(dòng)傳播，而波動(dòng)傳播在樁頭周圍可以近似作為半球波面，遠(yuǎn)離樁頭則可近似作為平面波，檢波器接受的恰好為平面波。因此，為了可以高效的識(shí)別淺層處的缺陷，工作人員應(yīng)該適當(dāng)?shù)靥岣呒ふ衩}沖波的頻率來增強(qiáng)分辨率，如果發(fā)現(xiàn)淺層部位的信號(hào)發(fā)生異常，應(yīng)該立即用剛性錘頭和柔性錘頭共同進(jìn)行激振，這樣可以更加清晰地識(shí)別淺層缺陷。

3 結(jié)束語

樁基工程為地下工程，所以工作人員需要規(guī)范操作。樁頭的處理比較重要，應(yīng)該盡量避免浮漿清理不完全帶來的影響；錘擊的位置應(yīng)該按照要求來選擇，若果出現(xiàn)障礙可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，錘擊的位置和粘貼傳感器的位置應(yīng)當(dāng)平整，適當(dāng)?shù)奶岣咚俣?，這由工作人員把握；運(yùn)用加速度傳感器收集波形時(shí)，粘貼要牢固且位置應(yīng)選在1/2R～2/3R范圍內(nèi)；應(yīng)用柔性錘頭檢測(cè)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的情況，選用剛性錘頭相結(jié)合，最終更清晰的識(shí)別淺層缺陷。低應(yīng)變反射波法是一種基樁質(zhì)量無損檢測(cè)方法，實(shí)際的檢測(cè)工程中有著其自身的優(yōu)越性，與此同時(shí)，又存在著局限性，它所得到的信息還不可以對(duì)缺陷進(jìn)行更為準(zhǔn)確的定量判斷，進(jìn)而給缺陷的判別工作帶來了困難。所以，在實(shí)際的檢測(cè)工作中，如果遇到較為復(fù)雜的測(cè)試曲線的時(shí)候應(yīng)該結(jié)合其它的方法進(jìn)行檢測(cè)，再將結(jié)果綜合分析，最終得到更加全面的數(shù)據(jù)來判斷樁身質(zhì)量，采取相應(yīng)的措施。

參考文獻(xiàn)

[1]韓小敏.聲波透射法在基樁質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[2]李建平.小波分析與信號(hào)處理-理論應(yīng)用及軟件實(shí)現(xiàn).重慶：重慶出版社，2007.

[3]徐攸在，劉家林，劉杰.用小應(yīng)變動(dòng)測(cè)法測(cè)定碼頭樁完整性的初步探討.港工技術(shù)，2009，36.

作者簡(jiǎn)介：潘遠(yuǎn)興（1975-），男，大學(xué)，中級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)工作。