基于冲击回波法的大埋深桥梁桩基长度检测

2019-10-31曹小为袁国涛菅冰玉

无损检测 2019年10期

曹小为袁国涛菅冰玉

(1.中国矿业大学力学与土木工程学院，徐州 221116; 2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221116; 3.徐州市城市轨道交通有限责任公司，徐州 221008)

在各种检测技术中，无损检测[1-2]能够在不损坏工程结构的情况下对工程进行质量检测，不会对结构的整体质量与稳定性产生影响，具有显著优势。冲击回波法在各种无损检测技术中占据了重要位置，多年来国内外很多专家学者对冲击回波法检测技术的应用进行了大量研究[3-10]，虽然该技术已被广泛采纳使用，但其应用研究大多局限于混凝土内部缺陷的检测和厚度检测等方面。

作为基础工程建设中较常用的一种，桩基的重要地位不言而喻。在桩基检测领域，国内外学者也进行了大量研究[10-16]，目前研究的主流方法是低应变法和声波透射法，但是这些方法具有一定的局限性，如低应变法不能适应复杂工况。因此需要发展适应性更强的方法来完善桩基检测技术。冲击回波法具有误差低、快捷高效以及工作环境适应能力强等特点，故将其引入桩基检测领域，具有重要意义。

文中的研究对象为徐州市焦山河桥，该桥已完工并投入使用多年，其桩基的上部被桥梁所覆盖，常规的低应变无损检测技术已不再适用。不仅如此，该桥梁桩基的绝大部分浸在水中和埋入岩土层里，仅有上部0.5 m左右的长度露出水面，可供检测用的区域仅为此0.5 m左右的柱面范围，并且在人工振源激励时只能做柱面锤击，施工操作难度大(根据其周围的地质条件和桥梁设计结构等可推测出该桥梁桩基为大埋深摩擦桩)，但是在柱面上使用冲击回波法检测桩长的可行性还有待更深入地研究。

图1 桩基埋深长度的冲击回波法检测原理示意

1 桩基埋深长度检测原理

对于冲击回波法原理的研究，国内外很多学者提出了多种模型[17]，对于数据的处理也有多种方法。冲击回波法检测桩基埋深长度的原理(见图1)为：当外力敲击柱体表面时，桥梁桩基柱体内部会产生振动波，此时将桥梁桩基视为一个均匀介质的圆柱体并认为振动波在其内部的传播是匀速的，使用传感器监测并采集特定位置处振动波随时间的变化情况，然后用所采集到的数据绘制波形图，通过对波形图信号的解析求得桩基内部振动波的波速，并进一步计算出桩基的埋深长度。

1.1 桩基内部振动波波速的测量原理

振动波在柱体内部触碰到柱体界面时会发生反射现象，当振动波每一次被传感器监测到时，都会在波形图中出现相对应的能量主峰值，根据这些峰值在波形图中的位置便可以进一步得到其对应的时刻。但随着振动波在传播过程中的能量衰减，以及在柱体中其他位置处发生的反射，振动波逐渐变成比较杂乱的混波，以至于波峰变得不再明显而很难被甄别出来。

使用数据绘制出波形图，并在图中提取出波峰及其对应的时间，理论上相邻两个波峰间的时间间隔即为振动波沿着桩体的截面直径方向传播后反射所消耗的时间，基于已知的柱体直径，便能计算出振动波波速的平均值。

1.2 桩基埋深深度的检测原理

在桩基长度的检测中，当振动波传播到柱体底面时会发生反射，利用振动波初次到达传感器及桩底反射波到达传感器的时差，借助前一步骤所测得的振动波在桩基内部的波速，即能计算出桥梁桩基的长度。

此步骤中对来自于桩基底部的反射波的甄别尤为关键，也是核心难点所在。桥梁桩基的长度较长，会导致振动波中高频成分的能量在传播中大幅衰减，因此需要对波形进行处理，同时对大量检测数据进行综合分析，以有效地判断出桩基底部的反射波。另外，桩基本身可能存在的缺陷也会对振动波的波形造成一定的影响，使数据的分析处理变得较困难。

2 试验方案

为了验证使用冲击回波法检测桩基埋深长度的可行性，以及明确在柱面激发人工振源和布置传感器能否采集到有效数据，笔者先于实验室内以冲击回波法为原理设计了相似的模拟试验，然后通过试验结果分析该方法的可行性。

试件为高透明亚克力有机玻璃圆柱体，其长为1 000 mm，直径为100 mm。使用标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测系统[18]来采集振动波信号，配置传感器12个。

试验方案为：在一定高度释放重物(小铁针或者小钢珠)，使其做自由落体运动后砸到柱体表面上，在柱体表面激发一个人工被动振源，同时监测并采集特定位置处振动波的信号。图2为试验流程及试验系统结构框图。

图2 试验流程及试验仪器系统框图

在结合现场中桥梁桩基只有其上部半米左右可供检测操作的实际情况后，试验中所使用的传感器也只能位于玻璃棒的一端，并且小钢珠也必须在玻璃棒的侧面上空释放，以尽可能地模拟现场的实际情况，从而使试验结果更为可靠、更具有参考价值。根据以上原则，分别设计了检测振动波在试验材料中的传播速度以及试验材料长度的方案。

2.1 试验步骤

在波速求解试验中，由于试验材料本身直径较小，无法得到有效的径向反射波来求解波速。但是，试验材料的长度与工程现场的桩基直径很接近，因此可以将传感器布置于顶底两面以达到与现场实际工程中相似的效果。

图3 试验传感器布置示意

传感器的布置方案如图3所示，在波速测试中于柱顶和柱底中心处分别布置一个传感器。在试验材料长度(即桩长)的测试中，传感器为层状布置(每层4个)，并在顶面和底面也各布置了一个传感器。

2.2 试验数据的处理

在进行了多次测试试验后，先使用采集到的数据分别绘制出波速测试波形图与长度测试波形图，然后根据波形图提取到的数据绘制出波速计算表与长度计算表。

另外，在对长度测试试验的数据处理后发现，不同位置上的传感器所采取到的信号质量不同，其中与激励点位于同一母线上的两个传感器采集到了质量最佳的信号；而正对着这两个传感器方向上的传感器采集到的信号质量次之；最后，位于侧面的传感器信号质量最差。为了得到更精确的结果，文章只采用信号质量最好的数据作为依据来计算柱体的长度，另外由于传感器布置位置的不同而需要对柱体长度进行一定的初始位置偏差修正。

图4和表1为波速求解的部分结果，图5和表2为长度求解的部分结果。

图4 波速求解试验的波形(1-CH3波形信号)

图5 长度求解试验的波形(1-CH3波形信号)

试验序号主能量到达时刻/ms第1次反射时刻/ms第5次反射时刻/ms平均反射时间/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 柱体长度计算的部分结果

图6,7分别为根据试验结果绘制出的亚克力棒中振动波波速的分布图与材料长度的分布图，可以看出每次独立试验所测得的波速都在一定范围内波动，计算出振动波在亚克力材料中的平均波速为2 068.96 m·s-1，进一步得到柱体的平均长度为0.999 m，与实际长度基本一致。

图6 振动波在亚克力材料中的波速分布

图7 材料长度分布

2.3 小结

(1) 冲击回波法用于柱体长度的检测是可行的。

(2) 不具备在柱体顶面激发振源的条件时，可在柱体柱面上进行人工振源触发，再通过布置在柱面上的传感器采集到的数据也可以精确地计算出其长度。

(3) 当传感器布置点与激发点处于同一母线上时，所采集到的信号质量要好于其他位置。

(4) 采用试验中的数据分析方法，可以求解得到较精确的结果。

3 现场检测

3.1 焦山河桥桩基概况

在徐州某地铁线的建设中，地铁开挖线路恰好于徐州市焦山河桥下经过(见图8)。但由于桥梁修建的时间较久远，其各项建造数据已无从查询，为了确定桥的桩基长度是否会影响地铁隧道的开掘，以及为后期施工提供有效参考，需要精确测量桥梁桩基的埋深深度，以便制定相应的地铁线路建设方案。

图8 地铁线路开挖与桥桩之间的关系

焦山河桥共14根桩基，随机选取其中一根桩基，并以此桩基为例求解桩基埋深。

3.2 波速的求解

图9 传感器布置示意图

使用中国矿业大学自主研发的MPS微震监测系统,在现场采集振动波数据，根据试验结果，采用如图9所示的传感器布置方案：其中桩基上布置4个传感器用于波速的检测；考虑到径向反射波过强会覆盖桩底反射波，用于检测桩长的传感器应尽量布置在远离振源的地方，同时为了得到质量更好的数据，应将传感器与振源激励点置于桩基的同一条母线附近，因此选择在距离桩基柱体很近的梁下处布置4个传感器。

系统采集到的原始数据总时长为1.5 s，采样频率为每秒128 000次。超前信号阈值触发，柱体直径为0.9 m。综合考虑数据的有效性和样本的多样性，只取每个波形图的前6个峰值。求得多组解，最后取平均值，即为最终的波速平均值。

分别于5号和8号传感器附近进行了大量的波速测试，在南北方向(即8号传感器所在方向)和东西方向(即5号传感器所在方向)上各随机抽取了部分数据。

根据南北方向上6号传感器和东西方向上5号传感器分别绘制出波形，如图10，11所示。

图10 南北方向桩基波速波形

图11 东西方向桩基波速波形

根据从波形图中提取到的数据，绘制出表3(部分数据),表中E表示东西方向,S表示南北方向。

表3 桩基内部振动波波速的计算(部分数据)

图12 桥梁桩基的波速大小

桥梁桩基的波速大小如图12所示。由图12可以明显地看出,每个独立事件所测得的波速都在可以接受的误差范围内波动，且南北方向和东西方向所求得的平均值基本一致，所以可以认为桥梁桩基为均匀介质的柱体。但因为桥梁桩基建造时间较早，建造工艺不精良，再加上长期浸泡在水中，早已吸水饱和，故其内部振动波的传播速度慢，求取其平均值作为桩基内部振动波的波速，为1 617.79 m·s-1。

3.3 桩长的求解

利用梁下1，2，3，4号4个传感器采集得到的数据计算桩长。为了能更直观地辨认能量很弱的反射波，对采集到的原始数据做以下处理：① 对数据进行零飘处理，以方便数据的后期处理；② 将全部数据取绝对值，以便于分辨波形的各个峰值；③ 取出整个数据中的有效部分绘制出波形，从图中找到反射波存在的大致位置；④ 为了精确寻找反射波的位置，将数据分成两段，由于反射波存在于第二段中，故第一段中的信号幅值不变，将第二段中的信号幅值整体放大5倍，从而使反射波的位置明显地显现出来。

图13，14为第一组数据的1号和2号传感器数据处理后的波形图(为了简化计算，横坐标数据为等间隔的归一化时间段，无量纲)。

图13 1号传感器波形图

图14 2号传感器波形图

现场共采集了数十组数据，文章随机抽取一部分数据进行分析并绘制成表4，但是在解析波形图时发现了两个可能的反射波点，分别计算其对应的桩长。

由表4可以看出，第一点所对应的桩长虽然也能取得较为理想的数据，但其方差较大，平均值为15.03 m；第二点所对应的桩长则取得了优于第一点的数据,其平均值为17.46 m。出现两个结果的原因是当桩基存在缺陷时，也会反射振动波，形成类似于来自桩底的信号，但是由于缺陷的界面一般不均匀，而桩底较为平整，因此缺陷位置处测得的信号数据偏差比来自桩底的信号数据偏差大。

表4 桩基长度的计算

综上，可以得到以下结论：① 所测桥梁桩基的长度为17.46 m，同时在距离桩底约2.4 m处存在一处缺陷。桩基深度进入到了地铁隧道的开挖断面之内，且到达开挖隧道底部；② 鉴于桩基的施工特点，推算其他桩基的深度也在地铁隧道的开挖断面之内；③ 基于以上数据的计算，得到的桩基深度结果的平均值为17.46 m。该结果是建立在桩基混凝土波速为1 617.79 m·s-1的基础上得出的，实际波速跟此数值有一定的出入。而获取的结果受波速的取值影响比较大。