低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)樁法在工程中的應(yīng)用

楊睿揚(yáng)

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

如今大多數(shù)建筑廣泛使用樁基礎(chǔ)作為底部承重構(gòu)件，樁基礎(chǔ)埋于地下，屬于隱蔽工程，難以直接確認(rèn)樁基的成樁質(zhì)量，作為承載建筑重量的重要構(gòu)件，為了保證樁基質(zhì)量可靠，使用安全，對(duì)樁基的檢測(cè)工作必不可少。由于樁基礎(chǔ)的特殊性質(zhì)，便發(fā)展出一門(mén)不開(kāi)挖地基土的無(wú)損測(cè)樁方法，即為基樁動(dòng)測(cè)法。如何準(zhǔn)確方便的確定樁基完整性與承載力，是基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)所研究的兩大主題。

基樁動(dòng)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于費(fèi)用低、速度快、輕便、適合普查等，正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)的存在推動(dòng)了基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用[1-5]。但是基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)在基礎(chǔ)理論、測(cè)量分析技術(shù)以及工程應(yīng)用等諸多方面都存在著問(wèn)題。在新時(shí)期，基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)應(yīng)該向著高質(zhì)量、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。當(dāng)前，針對(duì)動(dòng)測(cè)分析的硬件設(shè)備改進(jìn)受到了廣泛的關(guān)注，然而對(duì)于軟件分析以及理論研究的關(guān)注還不夠高，需要提高對(duì)軟件分析和理論研究的關(guān)注度。當(dāng)前，已經(jīng)有學(xué)者嘗試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用到基樁動(dòng)測(cè)之中，并編制出了相應(yīng)的程序；有的單位是將邊界元、無(wú)限元、三維有限元以及邊界層理論應(yīng)用到基樁動(dòng)測(cè)之中，然而這些分析研究當(dāng)前還處于分析探索的狀態(tài)，還沒(méi)有進(jìn)入到成熟應(yīng)用階段[6-8]。

本文系統(tǒng)性的介紹低應(yīng)變分析方法理論體系，分析不同工程實(shí)測(cè)低應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)提出典型數(shù)據(jù)進(jìn)行案例分析，進(jìn)行工程總體質(zhì)量評(píng)價(jià)，以及在分析過(guò)程中總結(jié)所遇到的問(wèn)題以及需要注意的事項(xiàng)。

1 基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)理論

1.1 基樁動(dòng)測(cè)中的波動(dòng)理論介紹

假設(shè)待測(cè)樁滿足均勻一維彈性桿件假定，取樁身一小段不包含端點(diǎn)的部分(x，x+dx)，并設(shè)樁的橫截面積為A，密度為ρ，彈性模量為E，

則該小段在t時(shí)刻的伸長(zhǎng)量為

相對(duì)伸長(zhǎng)量為

由Hook定律：

則

兩邊同時(shí)對(duì)x微分：

由牛頓第二定律：

所以：

令

可得到u，t，x之間的關(guān)系，即為一維波動(dòng)方程（拋物線型），而二維和三維的波動(dòng)方程是泛定方程，無(wú)法給出確定解。

根據(jù)定解條件，初始條件，即t=0，和三類邊界條件即可進(jìn)行分離變量求解，將上述偏微分方程化為兩個(gè)常微分方程求解，具體過(guò)程文中不再贅述。

1.2 樁的反射和透射

分析反射波和透射波的特性：

其中Z1為入射截面波阻抗，Z2為反射截面波阻抗。

V指單個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度，V=c·ε，VI為入射波，VR為反射波，VT為透射波。

通過(guò)公式分析可知，當(dāng)R＞0時(shí)，入射波和反射波振動(dòng)方向相同，而當(dāng)R＜0時(shí)，入射波和反射波的振動(dòng)方向相反。

將透射系數(shù)設(shè)為T(mén)，T=1+R＞0，故入射波與透射波始終保持同相位。

根據(jù)公式，結(jié)合波阻抗Z=ρcA，可以得出以下結(jié)論：

當(dāng)Z1＞Z2時(shí)，入射截面波阻抗大于反射截面波阻抗，則樁身出現(xiàn)縮頸，斷裂，混凝土離析，夾泥等問(wèn)題情況；

當(dāng)Z1＜Z2時(shí)，入射截面波阻抗小于反射截面波阻抗，則樁身出現(xiàn)擴(kuò)頸等現(xiàn)象；

當(dāng)Z1=Z2時(shí)時(shí)，入射截面波阻抗與反射截面波阻抗相等，則樁身無(wú)缺陷或者阻抗匹配。

1.3 引起反射波的原因

對(duì)于基樁的低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法，最重要的就是分析樁身對(duì)入射波的反射，通過(guò)入射波引起樁身反射的各種特征，來(lái)分析基樁的完整性，而樁身反射波一般出現(xiàn)在樁底以及樁身界面變化的位置。

低應(yīng)變能檢測(cè)到的波形變化原因主要有有：樁底，樁身夾泥空洞，樁身斷裂，樁身混凝土離析，樁身擴(kuò)頸，樁身縮頸，樁周土層變化，樁身材料變化。

由于低應(yīng)變檢測(cè)法的原理，決定低應(yīng)變檢測(cè)這種方法對(duì)于樁身截面積的漸變不敏感，所以不能檢測(cè)到的現(xiàn)象主要有：樁身的截面積漸變，樁身彎曲，樁身出現(xiàn)小缺陷，樁底沉渣。

2 工程實(shí)例分析

2.1 基樁的質(zhì)量評(píng)價(jià)

基樁的質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要有樁身的特征反射來(lái)確定。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢驗(yàn)基樁完整性的典型波形，應(yīng)有明顯的樁頂與樁底反射波，并在樁身不存在缺陷反射；樁身縮頸類缺陷包括樁身夾泥、離析、蜂窩、空洞、縮頸等，缺陷反射波與直達(dá)波同相位；嚴(yán)重的縮頸會(huì)產(chǎn)生多次反射波，特點(diǎn)是多次反射是等時(shí)間間隔的。

樁身完整性類別應(yīng)該結(jié)合缺陷出現(xiàn)的深度、測(cè)試信號(hào)的衰減特性以及設(shè)計(jì)樁型、成樁工藝、地質(zhì)條件、施工情況，按照規(guī)范規(guī)定的實(shí)測(cè)時(shí)域或幅頻信號(hào)特征進(jìn)行綜合分析判定[9-11]。

2.2 低應(yīng)變波形分析

案例一：某預(yù)制高強(qiáng)度管樁，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)C80，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22m，樁身直徑500mm，實(shí)測(cè)信號(hào)如圖1所示：

圖1 原始波形圖

波形本身干擾較小，為盡量保留原始數(shù)據(jù)信息，低通濾波取1000Hz；原始數(shù)據(jù)樁底反射不明顯，故取指數(shù)放大50倍，見(jiàn)圖2所示：

圖2 處理后波形圖

樁身未出現(xiàn)同向缺陷反射，整體較為平滑，指數(shù)放大后能確認(rèn)到樁底反射，故判定樁身無(wú)缺陷。

案例二：某鉆孔灌注樁，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)C40，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)13.3m，樁身直徑500mm，實(shí)測(cè)信號(hào)如圖3所示。

圖3 原始波形圖

由于樁長(zhǎng)較短，原始波形受樁頂高頻面波影響較大，樁底反射相對(duì)而言不明顯，且曲線呈現(xiàn)出不光滑的特征，但觀察發(fā)現(xiàn)，樁底二次反射等多次反射清晰，成樁質(zhì)量良好，故進(jìn)行800Hz數(shù)字濾波，去除曲線不光滑不分噪音，并指數(shù)放大5倍，幫助判定樁底多次反射。見(jiàn)圖4所示。

圖4 處理后波形圖

經(jīng)處理后，樁底反射能夠確認(rèn)，并且可以確認(rèn)指數(shù)放大后明顯的樁底多次反射，成樁質(zhì)量良好，判定為無(wú)缺陷樁。

2.3 分析總結(jié)

波形分析過(guò)程主要通過(guò)數(shù)字濾波排除干擾信號(hào)，通過(guò)同向反射缺陷波形來(lái)判斷樁身缺陷大小及缺陷位置，在此過(guò)程中，要謹(jǐn)慎選擇濾波范圍，得到合適的結(jié)果前不斷進(jìn)行調(diào)整，在盡可能保留原始數(shù)據(jù)信息的前提下還要能夠準(zhǔn)確的判斷出樁身缺陷情況，對(duì)數(shù)據(jù)少做人為處理，只有結(jié)合大量理論知識(shí)與實(shí)際分析的經(jīng)驗(yàn)，才能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的判斷樁身情況。

樁底反射相對(duì)于觸發(fā)波峰值過(guò)小，故通過(guò)合適的指數(shù)放大來(lái)尋找樁底反射位置，對(duì)于長(zhǎng)樁而言，樁底反射則更為不明顯，放大指數(shù)太小無(wú)法找到樁底反射，而放大指數(shù)過(guò)大波形則無(wú)用信息同時(shí)被放大，從而影響判斷。

3 結(jié)束語(yǔ)

低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法有著成本低，效率高，不破壞樁體等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中展現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到廣泛的推廣與使用。本文通過(guò)結(jié)合工程測(cè)試實(shí)例，系統(tǒng)性低應(yīng)變法測(cè)樁分析，證明低應(yīng)變基樁動(dòng)測(cè)方法經(jīng)過(guò)不斷地研究與發(fā)展，已經(jīng)成為一門(mén)相對(duì)成熟的學(xué)科，在進(jìn)行基樁完整性判工作時(shí)，能夠結(jié)合科學(xué)理論，給出有說(shuō)服力的結(jié)論與過(guò)程。

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，依然需要總結(jié)各種案例的經(jīng)驗(yàn)，不斷地實(shí)踐積累，才能夠得出準(zhǔn)確的判斷結(jié)果。在進(jìn)行低應(yīng)變法檢測(cè)時(shí)，不僅需要在處理數(shù)據(jù)時(shí)注意方式方法，在工程總體而言，低應(yīng)變檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)便的概率方法，能夠便捷的評(píng)估整體工程質(zhì)量，這對(duì)整體工程而言比單樁質(zhì)量判定更為重要。

進(jìn)行低應(yīng)變數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，對(duì)于采樣良好的信號(hào)，采用傳統(tǒng)數(shù)字濾波及指數(shù)放大的方法即可判定樁間及樁底反射，而對(duì)于部分不良信號(hào)，傳統(tǒng)處理方法效果有限，可采用新興小波變換方法進(jìn)行分析，基樁動(dòng)測(cè)信號(hào)處理的過(guò)程中，可以結(jié)合小波變換方法進(jìn)行進(jìn)一步的研究，這也是下一步應(yīng)該進(jìn)行的研究方向。