关于应力波在PHC管桩接头部位反射问题的探讨

张吾渝 王雪峰 忻元跃

0 引言

PHC管桩由于单桩承载力高,施工速度快,价格适宜等较多优点,被基础工程广泛采用。管桩接头通常采用接头板焊接,焊接质量的好坏直接决定管桩的承载力水平。由于接头板的广义波阻抗比混凝土的广义波阻抗大,根据一维纵波理论,管桩与接头板交界处将产生一个明显的反射波。同时接头板焊接处焊缝面积引起的阻抗变化也会导致在焊缝处产生反射波。事实上在测桩现场,接头部位经常检测不到反射波,即使检测到了反射波,检测人员也只是简单的将反射波信号与焊接质量直接挂钩,造成误判[2]。

本文分析了管桩接头部位可能出现的反射情况,并解释了实测现场不能检测到管桩接头部位反射波的现象。

1 基桩应力波反射法求解器

“基桩应力波反射法求解器”是由作者自主开发的小型工具软件。软件将基桩离散为一维线形粘性体连续模型,并考虑桩身阻抗,土阻力及裂隙的影响,基于特征线法求解桩任意截面上的力和速度。

本文用“基桩应力波反射法求解器”模拟PHC管桩的接头部位,计算分析了影响管桩接头部位反射波的可能因素。

2 管桩接头部位的反射

2.1 管桩与接头板交界处反射

假设接头板焊接断面良好接触,完全不留缝隙,应力波在混凝土—钢—混凝土中传递。根据一维纵波理论,有:

其中,ρ,ρ′分别为桩身、接头板的密度;C,C′分别为桩身、接头板中的波速;A为桩身横截面面积;VR,VI分别为反射波速、入射波速;Z,Z′分别为混凝土、钢的广义波阻抗。

当接头板焊接良好时,将接头板看成一整体,此时Z/Z′＜1,由式(1)可得:

式(2)表明,管桩与接头板交界处由于波阻抗的变化会激发出幅值为 VR的反向反射波,传播至桩顶幅值加倍。

同理,当式(1)中的 n′=Z′/Z 时,可得式(3):

式(3)表明,在接头板与管桩交界处,同样会产生一个幅值很大的同向反射。

用“基桩应力波反射法求解器”模拟接头部位,计算得到不考虑阻尼时桩顶的速度,见图1。

从图1可以看出,纵波在管桩接头部位产生明显的反向反射和同向反射,这是由阻抗的变化引起的。

由于应力波在接头板中的传播时间远小于激振脉宽,因此管桩和接头板交界处的反向反射波与接头板和管桩交界处的同向反射波的时间差极小,大部分波形产生叠加,导致了叠加后的反射幅值低于|F|×UI,见图2。

2.2 接头板处焊缝反射

事实上焊接时,不可能保证焊接后接头板达到100%接触,当焊缝面积相对于接头板面积发生变化时,此时接头处的阻抗变化明显,因此在焊缝处会产生明显的反射波(见图3)。

假设焊缝的面积为Ah,故焊缝的广义波阻抗为Zh=ρhChAh,由式(1)可知:

上式可求得:

根据式(1)可得:

假设 m=Z/Z′＜1,由式(6)易知:

1)Ah/A＜m时有Fh＞0,故 A点反射波与入射波同向。同理,B点将产生反向反射,如图4所示。

2)Ah/A＞m时Fh＜0,与 1)中分析相反,A点反射波与入射波反向,B点反射波与入射波同向,如图5所示。

2.3 管桩与接头板交界处反射波和焊缝处反射波叠加

根据波形叠加原理,图1,图4两种情况波形叠加时,峰值被削弱,甚至看不到反射波。

由于接头板厚度不大,管桩接头部位的多次反射波时间差均很小,因此将式(2),式(6)简单叠加有:

其中,Ah为焊缝面积;A为管桩横截面面积。当 VR=0时,入射波形在 A点,焊缝处,B点平滑过渡,在实际检测中表现为几乎检测不到反射波。求解该方程得:

该式即入射波在管桩接头处反射波几乎不可见的条件下用“基桩应力波反射法求解器”计算 g取值时的情况,如图6～图8′所示。

式(8)适用于脉冲宽度较大的情况,此时反射波在A点,焊缝处,B点叠加的范围较大,因此反射波更加微弱。

3 脉宽对管桩接头部位反射波的影响

A型PHC管桩,桩径 500 mm,壁厚100 mm,混凝土强度C80,两节 10 m长桩焊接,端头板规格 500×100,厚度20 mm。

为了分析激振脉宽对管桩接头部位反射波的影响,取激振脉宽分别为0.5 ms,1 ms,2 ms进行计算。

通过对比可以看出,在满足式(8)时,管桩接头部位的面积变化明显,然而在桩顶仍然很难获得接头部位的反射波。

当脉冲宽度越窄时,入射波的衰减要慢,同时也可以相对清楚的找到管桩接头部位;当脉冲宽度逐步增大时,管桩接头部位的反射波几乎消失。

4 工程实例分析

两根PHC管桩采用接头板对接,按照施工规范焊接,施焊饱满。图9,图10分别为施焊前后实测的波形曲线。

由图9可以看出,施焊前,焊缝处几乎没有接触,此时会产生幅值很大的同向反射,即使是叠加后幅值仍旧比较明显;施焊后,由于焊缝处的阻抗比变小导致焊缝处反射波幅值变小,因此叠加后管桩接头部位的反射幅值也会变小。图10表明反射波幅值由1.4 V0减小到0.17 V0,这与理论分析是一致的。

已知当焊缝面积与管桩截面面积的比值为100%时,管桩接头部位的反射波见图1。因此由该工程实例中波形曲线图9,图10及图1的变化趋势说明了式(8)表示的临界值g是存在的。同时也表明在实测现场,不能简单的以接桩处的反射波来判断焊接质量,而要按照反射波曲线的性质来分析判断管桩接头部位的焊缝面积大小,从而确定焊接质量的优劣。

5 结论与建议

应力波因受土阻力、桩身阻抗或面积变化、裂隙作用等影响,都会产生反射波。由于管桩接头部位的混凝土和钢波阻抗不同,焊缝处焊接质量导致接触面积产生变化,理论上在检测中会检测出管桩接头部位产生明显的反射。然而由于激振脉宽,波形叠加及焊缝质量等原因导致了检测中几乎见不到接头部位的反射,通过本文的分析,可以得出以下结论:

1)在桩身阻抗发生变化时激发的透射波会削减反射波,同时由于管桩和接头板接头处、焊缝两处均有阻抗变化,因此会产生叠加和干扰,从而使管桩接头的反射削弱,波形曲线趋于平滑。2)引起焊缝处反射不可见的原因主要是混凝土和钢的阻抗比及激振脉宽。当焊缝面积与管桩横截面面积满足式(8)时,管桩接头部位反射波很难被检测到,特别是当激振脉冲宽度越大时,几乎检测不到管桩接头部位的反射。3)实际检测中,若检测不到接头部位的反射,可以尝试采用高频的激振脉冲将接头部位的信号“显式化”,同时采用高频的激振信号也有利于检测出浅部缺陷和细部缺陷。

[1] 王雪峰,吴世明.基桩动测技术[M].北京:科学出版社,2001.

[2] 黄良机,林奕禧.应力波在预制管桩接头处传播性能的试验研究[J].工程质量,2005(6):50-51.

[3] 袁加贝,刘建平.低应变反射波法桩基测试中的几个要点[J].岩土工程界,2005,8(12):121.

[4] 王靖涛.桩基应力波检测理论及工程应用[M].北京:地震出版社,1999.