基于冲击弹性波的既有基桩长度检测技术

2021-11-05黄伯太吴波涛

四川轻化工大学学报(自然科学版) 2021年5期

黄豪，黄伯太，吴波涛，刘涛，刘阳

（1.福建船政交通职业学院，福州 350007；2.四川升拓检测技术股份有限公司，四川自贡 643000）

基桩质量进行检测［2-4］。然而，既有建筑基桩由于其上部结构的存在，不具备低应变法检测的桩顶测试条件。

针对既有结构基桩检测的大量需求，通过国内外研究者努力，已克服传统方法（如钻孔取芯法、声波透射法、高应变发射法）在既有基桩检测中的诸多困难［5］，形成了一系列针对既有基桩完整性检测技术。通过汇总分析，主要从两个思路进行解决：（1）基于更先进的测试和信号分析方法的检测技术，如对低应变反射波法改进后的双速度法、侧壁低应变法、超震波法、弯曲波法等；（2）基于新技术的检测方法，如钻孔雷达法、旁孔透射法、电磁波CT 法、动力荷载法等［3］。其中，基于无损检测方法的低应变反射波法的双速度法、侧壁低应变法发展较快，并列入建筑行业的既有建筑基桩的检测规范。另外，针对基桩长度的检测，可采用破损的检测方法，如

引言

基桩作为承受和传递上部结构荷载的重要传力结构，其重要性不言而喻［1］。当基桩长度不足及桩身出现缺陷时，将降低桩身承载力，影响上部结构的稳定性，严重时对上部结构产生重大安全隐患。目前，经过业内学者的研究，形成了一套对基桩桩身完整性的检测技术，并在建筑、公路、铁路等行业颁布实施了桩身完整性检测规范，大量用于现场的实际检测。另一方面，既有建筑结构（如已经完成横梁、冠梁等施工，不具备桩顶检测条件）的基桩，由于在长期往复荷载作用下或发生地震、滑坡、车辆冲撞等外力作用下引起地基荷载及基桩承载力的变化，同时由于地基问题或施工质量问题导致桩身、上部结构发生倾斜、变形、沉降、开裂等问题，需要对旁孔透射法及钻芯法［6-9］。

目前，针对具有上部结构的既有基桩长度检测一般不具备桩顶钻芯的条件，大多采用旁孔透射法。该方法是在基桩旁边钻一平行于基桩的测孔，测孔轴线与桩身竖直轴线平行且距离不大于1.5 m。通过在基桩顶部或侧面敲击产生应力波，利用在孔内的传感器接收信号，记录在不同深度时传感器受信的首波到达时间，根据穿透时间—深度关系图判断桩长和桩身缺陷［3］，如图1 所示。该方法检测的前提是需要在基桩旁边钻孔，钻孔后需要泥浆护壁，并灌水，达到检测条件。这种检测方式条件苛刻，过程繁琐且检测结果误差较大。

图1 旁孔透射法检测示意图

为了提高既有基桩长度检测的现场可操作性，国内研究者提出了针对既有基桩的桩身缺陷检测方法—侧壁低应变法［4］。该方法对既有桩进行检测，被测基桩不具备双面对测条件时，无法获取桩长及缺陷检测的桩身波速，若采用经验波速检测，检测结果差异大，从而无法准确检测基桩长度。准确检测既有基桩的桩长，其关键在于需要准确获取被测对象的桩身波速及桩底反射时刻。

基于此，深入研究低应变法对基桩检测的检测原理及影响因素，结合弹性波的传播特性，提出基于桩顶/桩侧瑞利波法的波速测定方法—弹性波侧壁检测法［10-12］。通过标定基桩开挖外露部分的瑞利波波速，经过换算确定桩身波速，进而对既有基桩长度进行检测，通过现场试验及应用验证，该方法能够有效检测既有基桩的桩长［13-16］。

1 基桩弹性波传播机理研究

因既有基桩上部结构的存在，导致弹性波信号在基桩内部的传播变得复杂，因此有必要对弹性波在桩身的传播机理进行研究。基桩地面以下的部分，其弹性波的传播符合一维杆件两个条件：λ > 2D，D < 0.2L。其中,λ表示弹性波波长，D表示桩径，L表示桩长。

根据弹性力学的论述，利用锤击等方法对基桩进行检测采用的弹性波的纵波或扭转波，其传播适用于一维杆轴线方向的弹性波传播理论［5］。对于不同的桩身状态，其传播机理也不同。以下分两种情况进行讨论。

（1）桩身处于自由状态

取一维杆的轴线作为水平轴，如图2 所示。设一维杆为等截面，截面面积为A，弹性模量为E，密度为ρ，且材质均匀连续。在任意截面x 处的微单元d x 受纵向外力p扰动而自由振动，振动位移表示为u(x,t)。

图2 一维杆中质点纵向振动

该微元d x 在x + d x 处，受扰动后产生的纵向张力以p(x)表示，则：

根据牛顿第二定律，有：

可知C 是弹性波沿一维杆轴向传播速度，即桩身轴向波传播速度为：

波动方程（2）的通解为：

即以x - Ct 和x + Ct 为参数的任意函数均可满足式（2），它表明初始的扰动将保持其原始波形，并以C 的速度传播。x + Ct、x - Ct 分别表示沿x 正方向或反方向传播。

（2）桩身处于非自由状态

实际的桩是埋入地层中的，桩身与周围土体间存在摩擦力。当桩的上端受到冲击扰动后，产生的弹性波沿桩身向下传播。同理，可导出其波动方程：

其中，h为桩周地层对桩的摩擦阻尼系数，其他的物理符号含义同上，可见，此时桩身内的波传播速度仍为C。

2 检测原理

通过实测基桩外露部分的瑞利波（R 波）速度，根据与R 波的关系换算桩长方向的反射波速，进而测试现役基桩长度。

2.1 基桩中传播的弹性波分类及关系

对基桩进行激振后，激振的弹性波具有能量大且集中的特点，将产生多种类型的弹性波，在基桩检测中主要用到P 波和R 波。根据振动粒子与弹性波传播方向的关系，弹性波主要可以分为［6-8］：

（1）P 波（纵波）：在无限均匀的弹性介质中，粒子振动方向与波动传播方向相同；

（2）R 波（表面波）：在半无限体介质中，粒子产生纵向和横向的合成振动，绕其平衡位置做椭圆轨迹振动。

根据现有的研究成果［6］，各种主要类型的弹性波在桩身传播时，不同弹性波之间的关系见表1。通过表1可以确定桩长检测的弹性波波速Vp。其中，Vp为P波波速，VR为表面波（R波）波速。

表1 不同动泊松比与波速比的关系

2.2 弹性波侧壁法

为了准确实现对现役桩长度进行检测，需要进行两方面的工作：准确标定桩身的波速及桩长检测。

（1）波速标定

为了确定桩身波速，需要对基桩进行开挖，至少露出桩身1000 mm。测点及传感器布置示意图如图3 所示。检测时，需要对激振点G 及接收点P1、P2进行打磨处理，测点间距（P1与P2间距）为d1，激振距离（P2与G 间距）为d2，且d1= d2=500 mm。通过测试两个传感器之间的R 波传播时间t，并结合测点间距d1由下式计算桩身的R波波速VR［9］：

图3 桩身R波波速标定测点布置示意图

（2）桩长检测

桩长检测前，需要在桩顶以下约800 mm 位置对桩身进行打磨处理，并形成传感器安装及激振平台，检测时将传感器固定于平台位置［10］。利用标定确定的沿桩身传播的弹性波波速VP，并结合桩底的反射时刻t，进而确定该基桩的桩长。

因大多数既有基桩具有上部结构，检测得到的信号复杂，激发信号在上部、桩底、桩侧等部发生反射，形成的弯曲波、直达波等信号影响，反射信号很容易淹没其中，有必要对测试信号进行噪声处理［11-12］。小波变换对非平稳信号具有良好的自适应性和优越的时频分析能力，能够在不同频域内研究反射信号的传播规律，提取反映基桩长度和完整性的信息［13-14］。

2.3 小波降噪技术

基于小波的信号滤波方法，能够有效滤除上部结构的无用信号，实现对桩底反射信号的提取。采用小波技术对现役基桩噪声信号进行降噪的基本步骤如下：

（1）对测试信号进行小波分解，得到各细节分量（高频）与近似分量（低频）。

测试信号f (t)可以展开为：

在绝大部分条件下，有效信号的展开系数的绝对值要大于噪声信号，因此，将某一阈值λ 以下的展开系数wk(j)清零即可达到降噪的目的。确定阈值的方法有多种，比较常用的方法是采用标准偏差σ，对于N 个采样数，有：

或者采用标准偏差代替Mx。

此外，对于阈值的截断，可以采用如图4 所示的硬阈值或软阈值：

图4 阈值截断方式

（3）用处理后的各分量进行小波重构，得到去噪后的信号。

根据高次（低分辨率）的尺度系数sk(j)，可以递归低次（高分辨率）的尺度系数sk(j-1)：

即可重构f0(t)。

根据对小波分析的理论研究，将算法集成到既有基桩长度检测的分析系统中，将进一步提高桩底反射信号的提取精度。

3 基桩桩身波速关系试验

3.1 测试对象

被测对象为广西境内某新建高速公路，已经完成基桩工程的施工，且基桩已凿除浮浆层，按照布置方案布置并打磨测点。被测对象设计强度等级为C30，桩径1000 mm，设计桩长为10 m，该基桩为摩擦桩，浇筑时，采用钢护筒施工，浇筑完成后拔出钢护筒。

测试现场分别在桩侧测试基桩R 波波速，并根据R波波速与P 波波速的关系，确定沿桩身高度方向传播的P波波速，用于该基桩长度的检测，从检测结果的精度证实检测流程的可靠性。

3.2 测试结果

（1）波速测试

根据上述弹性波侧壁法，分别在基桩侧面测试R 波波速，测试波形示意图如图5 所示，波速测试结果见表2。

图5 基桩侧壁测试波形

表2 基桩声速测试结果

根据测试结果，该基桩最终的R波波速为2.093 km·s-1。根据表1 中各类型弹性波之间的转换关系，即可确定基桩长度方向的P 波波速。根据相关资料［15-16］，强度等级为C30 的混凝土的泊松比约为0.2，则VPVR的比值为1.79，则桩长方向的P波速度为3.746 km·s-1。

（2）桩长测试

利用反算的弹性波波速3.746 km·s-1，对该基桩的长度进行检测，在桩侧开凿安装传感器及激振部位的平台，传感器位置与桩顶距离约0.8 m，检测分析结果如图6所示，采用小波去噪后的分析波形如图7所示。

图6 未采用小波去噪的分析结果图

图7 采用小波去噪后的分析结果图

由图6 可见，桩底反射前有明显的反射信号，该反射信号不排除为桩顶既有结构反射信号产生，给桩底位置确定带来一定干扰，导致测试结果出现了偏差（图6中，分析结果为11.1 m）。采用小波去噪后（图7），从分析后的波形来看，桩底反射信号明显，且之前的反射信号基本被处理干净。经过分析，该基桩长度的测试结果为9.6 m（信号接收点距离桩顶0.5 m），与设计桩长吻合度高。

由此可见，基于桩身R 波的波速标定方法，能够有效检测出既有基桩的长度。通过测试及验证，可明确现役基桩（无桩顶激振条件的基桩）长度检测步骤包括：基桩开挖、布置测点、单面法测桩身R 波波速、换算桩长检测的P波波速及推算P波波速进行基桩长度的检测。

4 现场应用及验证案例

为了验证该检测方法的可行性及准确度，进行了某涵洞的基桩长度检测，以避免地铁修建过程中对其上部基桩承载力的影响。该基桩设计长度为16 m，设计强度为C30，桩径为1000 mm，桩型为摩擦桩，桩顶有承台。

检测时，在桩身侧壁垂直的立面布置两条竖直的测线，用于检测R波波速。波速检测结果见表3。

表3 桩身R波速度检测结果

结合P 波与R 波的关系，可得出桩身P 波波速为3.8 km·s-1，并以此为基础对该工程的其余5 根基桩的长度进行检测。检测前在桩侧进行开凿，形成激振及信号接收平台。检测结果典型图如图8 所示，检测结果见表4。

表4 基桩检测结果

图8 典型检测波形图

为了验证检测结果的可靠性，对其中的1#桩进行取芯验证。取芯结果为16.0 m，测试结果与取芯结果相差小于0.2 m。

由实测基桩外露部分桩侧R 波波速，并根据其与P波的关系，换算沿桩长方向传播的弹性波波速。通过在桩身侧面形成微破损并达到激振及受信条件，实现对基桩长度的检测。实测及现场的取芯验证，表明该方案对既有基桩长度检测的可行性高，能够用于交通、建筑等行业既有基桩的桩长检测，弥补了现有检测方法的不足，极大地丰富了既有基桩检测手段。