基于沖擊回波法的大埋深橋梁樁基長度檢測

曹小為袁國濤菅冰玉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，徐州 221116; 3.徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，徐州 221008)

在各種檢測技術(shù)中，無損檢測[1-2]能夠在不損壞工程結(jié)構(gòu)的情況下對工程進(jìn)行質(zhì)量檢測，不會對結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量與穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，具有顯著優(yōu)勢。沖擊回波法在各種無損檢測技術(shù)中占據(jù)了重要位置，多年來國內(nèi)外很多專家學(xué)者對沖擊回波法檢測技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[3-10]，雖然該技術(shù)已被廣泛采納使用，但其應(yīng)用研究大多局限于混凝土內(nèi)部缺陷的檢測和厚度檢測等方面。

作為基礎(chǔ)工程建設(shè)中較常用的一種，樁基的重要地位不言而喻。在樁基檢測領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究[10-16]，目前研究的主流方法是低應(yīng)變法和聲波透射法，但是這些方法具有一定的局限性，如低應(yīng)變法不能適應(yīng)復(fù)雜工況。因此需要發(fā)展適應(yīng)性更強(qiáng)的方法來完善樁基檢測技術(shù)。沖擊回波法具有誤差低、快捷高效以及工作環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點，故將其引入樁基檢測領(lǐng)域，具有重要意義。

文中的研究對象為徐州市焦山河橋，該橋已完工并投入使用多年，其樁基的上部被橋梁所覆蓋，常規(guī)的低應(yīng)變無損檢測技術(shù)已不再適用。不僅如此，該橋梁樁基的絕大部分浸在水中和埋入巖土層里，僅有上部0.5 m左右的長度露出水面，可供檢測用的區(qū)域僅為此0.5 m左右的柱面范圍，并且在人工振源激勵時只能做柱面錘擊，施工操作難度大(根據(jù)其周圍的地質(zhì)條件和橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)等可推測出該橋梁樁基為大埋深摩擦樁)，但是在柱面上使用沖擊回波法檢測樁長的可行性還有待更深入地研究。

圖1 樁基埋深長度的沖擊回波法檢測原理示意

1 樁基埋深長度檢測原理

對于沖擊回波法原理的研究，國內(nèi)外很多學(xué)者提出了多種模型[17]，對于數(shù)據(jù)的處理也有多種方法。沖擊回波法檢測樁基埋深長度的原理(見圖1)為：當(dāng)外力敲擊柱體表面時，橋梁樁基柱體內(nèi)部會產(chǎn)生振動波，此時將橋梁樁基視為一個均勻介質(zhì)的圓柱體并認(rèn)為振動波在其內(nèi)部的傳播是勻速的，使用傳感器監(jiān)測并采集特定位置處振動波隨時間的變化情況，然后用所采集到的數(shù)據(jù)繪制波形圖，通過對波形圖信號的解析求得樁基內(nèi)部振動波的波速，并進(jìn)一步計算出樁基的埋深長度。

1.1 樁基內(nèi)部振動波波速的測量原理

振動波在柱體內(nèi)部觸碰到柱體界面時會發(fā)生反射現(xiàn)象，當(dāng)振動波每一次被傳感器監(jiān)測到時，都會在波形圖中出現(xiàn)相對應(yīng)的能量主峰值，根據(jù)這些峰值在波形圖中的位置便可以進(jìn)一步得到其對應(yīng)的時刻。但隨著振動波在傳播過程中的能量衰減，以及在柱體中其他位置處發(fā)生的反射，振動波逐漸變成比較雜亂的混波，以至于波峰變得不再明顯而很難被甄別出來。

使用數(shù)據(jù)繪制出波形圖，并在圖中提取出波峰及其對應(yīng)的時間，理論上相鄰兩個波峰間的時間間隔即為振動波沿著樁體的截面直徑方向傳播后反射所消耗的時間，基于已知的柱體直徑，便能計算出振動波波速的平均值。

1.2 樁基埋深深度的檢測原理

在樁基長度的檢測中，當(dāng)振動波傳播到柱體底面時會發(fā)生反射，利用振動波初次到達(dá)傳感器及樁底反射波到達(dá)傳感器的時差，借助前一步驟所測得的振動波在樁基內(nèi)部的波速，即能計算出橋梁樁基的長度。

此步驟中對來自于樁基底部的反射波的甄別尤為關(guān)鍵，也是核心難點所在。橋梁樁基的長度較長，會導(dǎo)致振動波中高頻成分的能量在傳播中大幅衰減，因此需要對波形進(jìn)行處理，同時對大量檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以有效地判斷出樁基底部的反射波。另外，樁基本身可能存在的缺陷也會對振動波的波形造成一定的影響，使數(shù)據(jù)的分析處理變得較困難。

2 試驗方案

為了驗證使用沖擊回波法檢測樁基埋深長度的可行性，以及明確在柱面激發(fā)人工振源和布置傳感器能否采集到有效數(shù)據(jù)，筆者先于實驗室內(nèi)以沖擊回波法為原理設(shè)計了相似的模擬試驗，然后通過試驗結(jié)果分析該方法的可行性。

試件為高透明亞克力有機(jī)玻璃圓柱體，其長為1 000 mm，直徑為100 mm。使用標(biāo)準(zhǔn)煤巖樣品壓裂過程震電磁效應(yīng)同步監(jiān)測系統(tǒng)[18]來采集振動波信號，配置傳感器12個。

試驗方案為：在一定高度釋放重物(小鐵針或者小鋼珠)，使其做自由落體運動后砸到柱體表面上，在柱體表面激發(fā)一個人工被動振源，同時監(jiān)測并采集特定位置處振動波的信號。圖2為試驗流程及試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 試驗流程及試驗儀器系統(tǒng)框圖

在結(jié)合現(xiàn)場中橋梁樁基只有其上部半米左右可供檢測操作的實際情況后，試驗中所使用的傳感器也只能位于玻璃棒的一端，并且小鋼珠也必須在玻璃棒的側(cè)面上空釋放，以盡可能地模擬現(xiàn)場的實際情況，從而使試驗結(jié)果更為可靠、更具有參考價值。根據(jù)以上原則，分別設(shè)計了檢測振動波在試驗材料中的傳播速度以及試驗材料長度的方案。

2.1 試驗步驟

在波速求解試驗中，由于試驗材料本身直徑較小，無法得到有效的徑向反射波來求解波速。但是，試驗材料的長度與工程現(xiàn)場的樁基直徑很接近，因此可以將傳感器布置于頂?shù)變擅嬉赃_(dá)到與現(xiàn)場實際工程中相似的效果。

圖3 試驗傳感器布置示意

傳感器的布置方案如圖3所示，在波速測試中于柱頂和柱底中心處分別布置一個傳感器。在試驗材料長度(即樁長)的測試中，傳感器為層狀布置(每層4個)，并在頂面和底面也各布置了一個傳感器。

2.2 試驗數(shù)據(jù)的處理

在進(jìn)行了多次測試試驗后，先使用采集到的數(shù)據(jù)分別繪制出波速測試波形圖與長度測試波形圖，然后根據(jù)波形圖提取到的數(shù)據(jù)繪制出波速計算表與長度計算表。

另外，在對長度測試試驗的數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)，不同位置上的傳感器所采取到的信號質(zhì)量不同，其中與激勵點位于同一母線上的兩個傳感器采集到了質(zhì)量最佳的信號；而正對著這兩個傳感器方向上的傳感器采集到的信號質(zhì)量次之；最后，位于側(cè)面的傳感器信號質(zhì)量最差。為了得到更精確的結(jié)果，文章只采用信號質(zhì)量最好的數(shù)據(jù)作為依據(jù)來計算柱體的長度，另外由于傳感器布置位置的不同而需要對柱體長度進(jìn)行一定的初始位置偏差修正。

圖4和表1為波速求解的部分結(jié)果，圖5和表2為長度求解的部分結(jié)果。

圖4 波速求解試驗的波形(1-CH3波形信號)

圖5 長度求解試驗的波形(1-CH3波形信號)

試驗序號主能量到達(dá)時刻/ms第1次反射時刻/ms第5次反射時刻/ms平均反射時間/ms波速/(m·s-1)1-CH31.656 82.668 86.547 20.968 12 065.933-CH112.148 83.136 06.977 60.968 42 065.36

表2 柱體長度計算的部分結(jié)果

圖6,7分別為根據(jù)試驗結(jié)果繪制出的亞克力棒中振動波波速的分布圖與材料長度的分布圖，可以看出每次獨立試驗所測得的波速都在一定范圍內(nèi)波動，計算出振動波在亞克力材料中的平均波速為2 068.96 m·s-1，進(jìn)一步得到柱體的平均長度為0.999 m，與實際長度基本一致。

圖6 振動波在亞克力材料中的波速分布

圖7 材料長度分布

2.3 小結(jié)

(1) 沖擊回波法用于柱體長度的檢測是可行的。

(2) 不具備在柱體頂面激發(fā)振源的條件時，可在柱體柱面上進(jìn)行人工振源觸發(fā)，再通過布置在柱面上的傳感器采集到的數(shù)據(jù)也可以精確地計算出其長度。

(3) 當(dāng)傳感器布置點與激發(fā)點處于同一母線上時，所采集到的信號質(zhì)量要好于其他位置。

(4) 采用試驗中的數(shù)據(jù)分析方法，可以求解得到較精確的結(jié)果。

3 現(xiàn)場檢測

3.1 焦山河橋樁基概況

在徐州某地鐵線的建設(shè)中，地鐵開挖線路恰好于徐州市焦山河橋下經(jīng)過(見圖8)。但由于橋梁修建的時間較久遠(yuǎn)，其各項建造數(shù)據(jù)已無從查詢，為了確定橋的樁基長度是否會影響地鐵隧道的開掘，以及為后期施工提供有效參考，需要精確測量橋梁樁基的埋深深度，以便制定相應(yīng)的地鐵線路建設(shè)方案。

圖8 地鐵線路開挖與橋樁之間的關(guān)系

焦山河橋共14根樁基，隨機(jī)選取其中一根樁基，并以此樁基為例求解樁基埋深。

3.2 波速的求解

圖9 傳感器布置示意圖

使用中國礦業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的MPS微震監(jiān)測系統(tǒng),在現(xiàn)場采集振動波數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗結(jié)果，采用如圖9所示的傳感器布置方案：其中樁基上布置4個傳感器用于波速的檢測；考慮到徑向反射波過強(qiáng)會覆蓋樁底反射波，用于檢測樁長的傳感器應(yīng)盡量布置在遠(yuǎn)離振源的地方，同時為了得到質(zhì)量更好的數(shù)據(jù)，應(yīng)將傳感器與振源激勵點置于樁基的同一條母線附近，因此選擇在距離樁基柱體很近的梁下處布置4個傳感器。

系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)總時長為1.5 s，采樣頻率為每秒128 000次。超前信號閾值觸發(fā)，柱體直徑為0.9 m。綜合考慮數(shù)據(jù)的有效性和樣本的多樣性，只取每個波形圖的前6個峰值。求得多組解，最后取平均值，即為最終的波速平均值。

分別于5號和8號傳感器附近進(jìn)行了大量的波速測試，在南北方向(即8號傳感器所在方向)和東西方向(即5號傳感器所在方向)上各隨機(jī)抽取了部分?jǐn)?shù)據(jù)。

根據(jù)南北方向上6號傳感器和東西方向上5號傳感器分別繪制出波形，如圖10，11所示。

圖10 南北方向樁基波速波形

圖11 東西方向樁基波速波形

根據(jù)從波形圖中提取到的數(shù)據(jù)，繪制出表3(部分?jǐn)?shù)據(jù)),表中E表示東西方向,S表示南北方向。

表3 樁基內(nèi)部振動波波速的計算(部分?jǐn)?shù)據(jù))

圖12 橋梁樁基的波速大小

橋梁樁基的波速大小如圖12所示。由圖12可以明顯地看出,每個獨立事件所測得的波速都在可以接受的誤差范圍內(nèi)波動，且南北方向和東西方向所求得的平均值基本一致，所以可以認(rèn)為橋梁樁基為均勻介質(zhì)的柱體。但因為橋梁樁基建造時間較早，建造工藝不精良，再加上長期浸泡在水中，早已吸水飽和，故其內(nèi)部振動波的傳播速度慢，求取其平均值作為樁基內(nèi)部振動波的波速，為1 617.79 m·s-1。

3.3 樁長的求解

利用梁下1，2，3，4號4個傳感器采集得到的數(shù)據(jù)計算樁長。為了能更直觀地辨認(rèn)能量很弱的反射波，對采集到的原始數(shù)據(jù)做以下處理：① 對數(shù)據(jù)進(jìn)行零飄處理，以方便數(shù)據(jù)的后期處理；② 將全部數(shù)據(jù)取絕對值，以便于分辨波形的各個峰值；③ 取出整個數(shù)據(jù)中的有效部分繪制出波形，從圖中找到反射波存在的大致位置；④ 為了精確尋找反射波的位置，將數(shù)據(jù)分成兩段，由于反射波存在于第二段中，故第一段中的信號幅值不變，將第二段中的信號幅值整體放大5倍，從而使反射波的位置明顯地顯現(xiàn)出來。

圖13，14為第一組數(shù)據(jù)的1號和2號傳感器數(shù)據(jù)處理后的波形圖(為了簡化計算，橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為等間隔的歸一化時間段，無量綱)。

圖13 1號傳感器波形圖

圖14 2號傳感器波形圖

現(xiàn)場共采集了數(shù)十組數(shù)據(jù)，文章隨機(jī)抽取一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制成表4，但是在解析波形圖時發(fā)現(xiàn)了兩個可能的反射波點，分別計算其對應(yīng)的樁長。

由表4可以看出，第一點所對應(yīng)的樁長雖然也能取得較為理想的數(shù)據(jù)，但其方差較大，平均值為15.03 m；第二點所對應(yīng)的樁長則取得了優(yōu)于第一點的數(shù)據(jù),其平均值為17.46 m。出現(xiàn)兩個結(jié)果的原因是當(dāng)樁基存在缺陷時，也會反射振動波，形成類似于來自樁底的信號，但是由于缺陷的界面一般不均勻，而樁底較為平整，因此缺陷位置處測得的信號數(shù)據(jù)偏差比來自樁底的信號數(shù)據(jù)偏差大。

表4 樁基長度的計算

綜上，可以得到以下結(jié)論：① 所測橋梁樁基的長度為17.46 m，同時在距離樁底約2.4 m處存在一處缺陷。樁基深度進(jìn)入到了地鐵隧道的開挖斷面之內(nèi)，且到達(dá)開挖隧道底部；② 鑒于樁基的施工特點，推算其他樁基的深度也在地鐵隧道的開挖斷面之內(nèi)；③ 基于以上數(shù)據(jù)的計算，得到的樁基深度結(jié)果的平均值為17.46 m。該結(jié)果是建立在樁基混凝土波速為1 617.79 m·s-1的基礎(chǔ)上得出的，實際波速跟此數(shù)值有一定的出入。而獲取的結(jié)果受波速的取值影響比較大。

4 結(jié)論

(1) 沖擊回波法可以應(yīng)用于大埋深橋梁樁基長度的檢測中，且方法操作簡便、成本低廉、可適應(yīng)多種復(fù)雜工況。

(2) 不具備在樁頂進(jìn)行檢測操作的條件時，可以采用柱面敲擊的方案。檢測振動波波速的傳感器應(yīng)置于振源激勵點的正對面，另外，為了避免徑向反射波過強(qiáng)而覆蓋樁底反射波，用于檢測樁長的傳感器應(yīng)盡量布置在遠(yuǎn)離振源的地方，同時應(yīng)將傳感器與振源激勵點置于樁基的同一條母線附近，以得到質(zhì)量更好的數(shù)據(jù)。

(3) 對于振動波在樁內(nèi)傳播的方式與過程，仍存在疑問，如：振動波沿樁基邊緣的傳播是否會因受到界面變化的黏滯影響而與樁基內(nèi)部的傳播速度不一致。