低应变法检测桩长中波速的影响及改进方法

卢浩

（南宁铁路局科学技术研究所，工程师，广西　南宁　530000）

低应变法检测桩长中波速的影响及改进方法

卢浩

（南宁铁路局科学技术研究所，工程师，广西南宁530000）

低应变反射波法因其具有成本低、速度快等优势，仍然是目前现场核验桩长是否存在缺陷最常用的无损方法，然而，由于其准确性受多种因素制约，其中又以波速的取值最为关键。本文分析了通过混凝土强度推定波速和运用双峰法、时差法现场测定波速两种常用方法的局限性并提出改进方法：一是作者根据对多条铁路线上的桥梁桩检测得到的数据分析论证，推荐了在铁路桥梁基桩一维杆波速的参考值；二是从理论推导和现场实测两方面论述作者所在单位南宁铁路局科学技术研究所探索运用单面反射法和对测法所得到的波速值，与实际验证结果均吻合，表明所探索的方法具有现场快速、简便、准确测定桩身波速的特点。

低应变反射波法；桩长检测；波速；单面反射法；对测法；

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.04.011

低应变反射波法因其具有成本低、速度快等优势，仍然是目前现场核验桩长是否存在缺陷最常用的无损方法。低应变反射波法检测桩长的前提条件是获得准确的一维杆波速，特别是在桩长和波速都未知的情况下。因此，我们对低应变反射波法检测桩长中波速的影响进行研究，并在桩长和波速都未知情况下进行波速快速测定提出了改进的方法。

1　低应变反射波法检测桩长

1.1一维波动方程低应变反射波法是利用弹性波理论检测桩身的完整性。其原理是在桩头进行瞬态激振，产生低能量的弹性波（即应力波）使其沿桩身传播，桩的各截面在应力波的作用下做弹性范围内的低幅振动，通过分析该弹性波在桩身传播的特征，可以得到桩身是否存在缺陷等信息。反射波法的理论基础是一维波动方程。利用一维波运动方程进行桩基检测的假设前提：一是桩身材料均匀且各项同性，视为一维直杆；二是桩身振动时，振动截面保持为平面，且各截面上的应力分布是均匀的；三是桩身振动位移微小，应力应变在线弹性范围内，服从胡克定律。

当在杆的顶部施加一瞬态激振力f（t）后，将产生纵向应力波在杆内由顶部到底部传播。在一维波动方程中设桩身的轴向为x轴，桩长为L，截面积为A，密度为ρ，弹性模量为E，受轴向力f（t）的作用，将沿桩身纵向产生位移u。一维直杆振动力学模型如图1所示。

图1　一维直杆振动力学模型

根据弹性力学理论可推得：

1.2桩长检测公式

时域法桩长计算公式：

式中：L为桩长，t0为桩底反射信号与入射波的时间差（如果能采集到桩底反射的信号（摩擦桩与入射波同相，嵌岩桩与入射波反向）；c为受检桩的桩身波速；

频域法桩长计算公式∶

2　波速对桩长检测的影响

从式3和式4可以看出，无论时域还是频域分析，桩身波速的测定是能否准确计算出桩长的关键。规范［1］中用桩身波速的平均值cm来代代替受检桩的桩身波速：

式中ci为第i根受检测桩的桩身波速值，L为受检测桩测点下的桩长。式6中的难点是如果桩长数据未知或所知桩长的数据值得怀疑，就无法求出较为准确的ci，同时，也就无法计算检验桩长。目前，现场一般采用的操作方法主要有两种：一种是依据混凝土强度与一维纵波波速的对应关系，综合确定波速平均值来计算桩长；另一种是现场测定波速。下面对这两个方面进行研究。

2.1通过强度确定波速参考值大量的试验表明，波速除了与桩身混凝土的强度有关外，还与混凝土的骨料品种、粒径级配、密度、水灰比、成桩工艺等因素有关。波速与桩身强度整体趋势上呈正相关关系，即强度高波速高，但二者不是一一对应关系，出入比较大。

目前，在工程界主要是依据第二届应力波理论在桩基中的应用国际会议推荐的有关计算公式进行推算［2］，见表1。

表1　基桩低应变波速量值研究表

铁路高性能混凝土的强度与波速关系与普通混凝土略有区别，其关系见表2［3］。

表2　铁路高性能混凝土基桩检测波速与强度关系的研究表

混凝土是一种复杂的多孔材料，是一种非均介质，从组成结构看，混凝土内部固、液、气三者长期共存。在力学性能上，表现为既有弹性性质，又有一定的粘塑性性质，因此，影响混凝土传播速度的机理比较复杂。通常情况下影响一维杆波速的主要因素，首先是混凝土内石子的品种、粒径和用量，石子粒径大的波速大于粒径小的波速；其次是混凝土的含水率，一般含水率大的波速大于含水率小的波速；再一个因素是混凝土的养护方式，一般而言，水中养护方式大于标准养护方式，标准养护方式大于自然养护方式。

我们对洛湛线、河湛线、田德线、南钦线、玉铁线、南广线、成绵乐铁路所检测桥梁桩的低应变反射波法的波速进行了统计分析，从上述每条铁路线路都抽出所检测的8～10座桥梁，只统计完整性为Ⅰ类的桥粱桩，总共18 102根桩。统计汇总结果见表3。

表3　桥梁桩低应变检测桩身波速汇总表

从以上统计和汇总，我们可以得出结论：（1）一维杆波速与桩身强度呈一定的正相关关系，相同桩身混凝土标号不同线的波速平均不完全相同，但也比较接近。C 30、C 35、C 40各条线的平均波速的统计标准差都小于80 m/s，离散系数在2.1%以内。（2）同表3相比，大部份的推荐波速和实际情况还是相近的，可以作为参考，但有一些标号的波速参考值和实际情况有较大出入，比如C 20、C 40的混凝土。基于此并结合理论计算（考虑桩身中钢筋以及尺寸效应的影响）及我们大量的试验结果，我们推荐在铁路桥梁基桩一维杆波速的参考值如表4所示。

表4　基桩低应变波速推荐参考值（单位：km/s）

2.2现场测定波速在波速和桩长都未知的情况下测定桩身波速的方法目前主要有双峰法、时差法，双峰法又分为前双峰法和后双峰法［4］。这些方法都是在沿桩身长度方向不同深度采集振动信号，理论上都能在桩长和波速都未知的情况下，测得波速和桩长。但在实际应用中，由于桩身材料阻尼及桩侧阻尼的影响，应力波在传播过程中衰减严重，因此后双峰法需要应力波从桩底和桩顶两次回波，在现场是很难实现的。前双峰法和时差法比较容易实现，但也需要进行较深的开挖，如果有方法能不用挖就直接可以测出波速，无疑会更快捷方便。

3　改进的方法

3.1操作原理现场测桩过程中，我们根据实际桩长可得到桩的一维杆波速值。如果桩长和一维杆波速都未知时，现场可利用桩身在地面露出段的直径方向进行单面反射法和对测法进行波速标定，示意图如图2～图4。对侧安装另一个传感器，激振设备上的传感器记录应力波起始时间t1，应力波传递到对侧的传感器，记录下到达时间t2，应力波的波速为v1=2d/△T。

图2　一维杆波速测试

推断v1，v2和一维杆波速的关系是这两种方法应用的关键。

图3　单面反射法波速测试

图4　对测法波速测试

单面反射法：是在桩头露出部分的一侧安装传感器，并在传感器的附近利用小锤等激振设备进行激振，传感器记录下激振起始峰值及时间t1，产生的弹性波在桩身截面中传播，到达桩的径向另一侧的侧面后发生反射，反射波传回到激振的这一面，传感器记录下反射峰值及时间t2。应力波传播路径为2d（d为桩的直径，可现场测量），传播时间为△T=t2-t1，应力波的波速为v1=2d/△T。

对测法∶是在激振设备上安装传感器，在激振处

3.2与一维杆波速的关系上述两种方法测到的波速v1，v1是弹性波在三维体中传播的波速。弹性波的各种波中，P波速度最快，因此叫Primary wave。然而，P波的波速不是一个定值，与传播物体的尺寸、形状以及P波波长有关。当物体的3维尺寸大于P波波长时，P波的传播速度可由下式表示。

其中，E为材料的弹性模量，μ为泊松比，ρ为密度。

而当传播物体为桩、立柱等细长物体而P波波长较长时，其P波波速为1维速度：

当传播物体为平板，而P波波长较长的场合，P波速度为2维速度：

容易得出Vp1＜Vp2＜Vp3的关系。若泊松比取为0.20，则有：

如前所述，P波的传播速度不仅取决于传播物体的尺寸、形状，还取决于P波的波长。一般来说，波长越短的P波，其传播速度越接近Vp3。

为了验证单面反射法和对测法测到的波速v1，v2和一维杆波速的关系，我们利用6根试验桩进行试验。我们先后用低应变反射波法测得桩身的一维杆波速V一维杆，利用单面反射法和对测法测得弹性波在三维体的波速V反，V对测。每根桩测3～6次，通过测试结果，可得到以下结论：

和式7吻合，因此可以利用单面反射法和对测法测得弹性波在三维体的波速V反，V对测来推算桩身的一维杆波速V一维杆：

结合式4可计算得桩长：

式中：L为桩长

t0为桩底反射信号与入射波的时间差

4　工程桩试验

4.1验证试验设计为验证上述一维杆件波速与三维波速之间关系正确与适用，我们运用增强型低应变基桩完整型检测仪，进行工程桩现场试验，试验场景见图5所示。试验测试对象为3根圆形工程基桩，地面露出段的长度约在0.1 m左右，试验的主要步骤：（1）在露出段直径方向上利用单面反射法（圆形小尺寸测试物，近似三维波速）和对测法测试得到三维波速值；（2）利用上述关系推定得到桩身波速V推定（一维杆件波速）；（3）在桩顶激振，得到桩身长度波形，结合V推定推定计算出桩身长度L推定；（4）对3根基桩钻芯验证得出桩身实际长度L实际；（5）利用桩身实际长度L实际计算出桩身实际波速V实际；（7）综合分析比较桩身长度L实际、L推定及波速值V实际、V推定，得出结论。

图5　现场试验场景

4.2试验结果试验通过单面反射波法和对测法推定的桩身波速，测试出的桩长与现场采用钻芯法对实际长度进行验证，其验证结果详见表5

表5　桩长结果对比表

通过表5可见：无论是通过单面反射法还是对测法得到的三维波速，计算得出桩身一维波速值，从而推定得出的桩身测试长度，均与实际长度非常吻合。

根据钻芯验证的桩身实际长度，可得出桩身的实际一维波速值。利用单面反射法和对测法测试所得到的推定一维波速值V推定-反射、V推定-对测与实际波速V实际对比如表6所示。

表6　波速结果对比表

通过表6可见：无论是通过单面反射法还是对测法得到的三维波速，计算得出桩身一维波速值，均与实际波速十分吻合。

利用单面反射法和对测法得到的三维波速与桩身实际的一维波速之间的关系，如表7所示：

表7　桩身实际一维波速与三维波速的比例关系

由表7可知，桩身实际一维波速与桩身三维波速之间均满足VP1∶VP3≈1∶1.05的关系。且由上可知，无论是通过单面反射法还是对测法得到波速，计算得出桩身的一维波速值，均与桩身实际一维波速吻合。利用单面反射或对测法推定的桩身一维波速，计算得出的桩身长度也是非常吻合的。

因此，试验证明：单面反射法和对测法中弹性波在三维体中传播的波速公式以及它和一维杆波速的关系（式8～式11）正确，并且利用单面反射法或对测法获取推定桩身一维波速能较为准确的测试出桩身实际长度。

5　结束语

低应变反射波法是目前现场核验桩长最常用的无损方法，其准确性受多种因素影响，其中波速的取值最为关键。南宁铁路局科研所针对通过混凝土强度推定波速和现场标定波速两种方法存在的局限性，有效探索出了改进方法，即运用单面反射法和对测法两种方法，实现了现场快速、简便、准确测定桩身波速的目的，具有一定的推广运用价值。影响低应变反射波法检测桩长还有其它因素，特别是如何提高桩底反射信号的提取能力和精度，也值得我们去深入研究。

［1］中华人民共和国行业标准.《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106—2014）［S］.中国建筑工业出版社.2014∶2-37

［2］张宏.灌注桩检测与处理［M］.人民交通出版社.2001.14-32.

［3］胡在良、张佰战、董承全、李晋平.铁路高性能混凝土基桩检测波速与强度关系的研究［J］.铁道建筑.2011，12（7）∶94-98.

［4］龚昕.低应变动测技术确定施工桩长的试验技术研究［D］.南昌大学硕士学位论文，2007.

［5］南宁铁路局科学技术研究所、南宁铁路局沿海建指、南宁铁路局建管处、南宁铁路局工管所、四川升拓检测技术有限责任公司.桥梁基桩施工长度检测方法的研究研制报告.2014

U44

B

1006-8686（2016）04-0028-06