基于双速度法的通信单管塔单桩基础结构完整性检测

2022-08-24李祥君

无损检测 2022年8期

李祥君，张博

(中国通信建设集团设计院有限公司，北京 100176)

双速度法是运用“一维波动理论”，通过加速度、速度、内力和阻抗等参数来分析桩基完整性的一种低应变测试方法[1]。该方法将桩基简化为一根材料相同且均匀的连续直杆，通过敲击桩顶使桩身中产生应力波，应力波在介质中传播时会在阻抗变化界面生成反射波和投射波，桩身上的传感器接收反射波信号，对接收到的反射波进行放大、降噪等处理，依据波形图来分析判断桩基完整性。使用该方法检测通信单管塔单桩基础时，单桩基础桩顶以下1～3 m处存在大直径的地脚螺栓以及上、下两个定位盘，使得桩顶部分的反射波十分复杂，不利于检测的分析与判断；其优点在于，单管塔的单桩基础一般为桩长6～12 m的刚性灌注桩，桩长稳定且已知，利用双速度法测出波速后便可以计算出桩长[2]。

唐勇等[3]认为双速度法可以应用于桩基检测中，但在无承台条件下的优势不明显。赵冉等[2]通过工程实例研究后认为双速度法可以用于在役桩基的完整性检测。杨芒生等[4]研究了输电铁塔基础结构完整性检测，认为可以通过上行波的特征判断铁塔基础结构的完整性。虽然建筑及电力行业在低应变法的应用上已经有了很大的进展，但在通信行业尤其在单管塔单桩基础方面还缺少相应的研究。

文章主要通过相关公式推导出相应的理论依据，对青海地区22座通信单管塔的单桩基础进行现场完整性检测，并与当地维护站的常规检测结果进行对比，验证双速度法检测通信单管塔单桩基础结构完整性的可行性。

1 主要原理

1.1 低应变法基本原理

1.1.1 低应变法基本假设

分析时，有以下假设：① 桩为连续一维的均质弹性杆件；② 应力波传播不受桩侧土的影响；③ 桩在轴向变形时横截面运动方式为平动，沿截面的轴向应力均匀分布；④ 入射波的波长远大于桩的直径，小于桩的长度。

1.1.2 低应变法公式推导

若基本假设成立，质杆变形时，质点位移L，波位移u、应变ε、质点速度v和应力σ都是关于x和t的函数。杆件受力分析模型如图1所示。

图1 杆件受力分析模型

在杆件上取微元dx，则微元dx所受到的外力F为

F=σE

(1)

根据牛顿定律和式(1)，可得

F=ma=AEε=AρdL·a

(2)

式中：E为桩的弹模；A为桩横截面积；ρ为桩的体积密度；a为加速度。

根据胡克定律和运动关系，可得

(3)

(4)

根据式(3)和(4)推导，可得

(5)

(6)

根据式(2)和(5)推导，可得

(7)

(8)

根据“一维波动理论”建立微元dx的惯性力方程

(9)

(10)

根据式(8)和(9)可得

(11)

1.2 双速度法的基本原理

双速度法检测原理如图2所示，图中桩长为L；K1、K2为加速度传感器，深度分别为y1和y2；K3为缺陷，深度为y3，t1～t6分别为激振波被传感器接收的时间节点；则有

图2 双速度法检测原理示意

(16)

(17)

(18)

由于通信单管塔的单桩基础长度大多为6～15 m，且一般为灌注桩，长度大多可以确定，可将测出的桩长L与设计图纸中的桩长相比较，判断c值的准确度。根据式(17)计算出缺陷位置后再根据仪器显示的相应波形特征结合材料、施工工艺和顺序等分析出缺陷的性质[5-12]。

2 检测试验

2.1 检测背景

应海西铁塔公司维护部的要求，对青海省海西蒙古族藏族自治州的22座铁塔进行检测。海西州为“三山(祁连山、昆仑山、阿尔金山)夹一盆(柴达木盆地)”地形，其境内盐碱含量极高，以茶卡盐湖及察尔汗盐湖地区为最。高碱环境对建筑基础的侵蚀破坏极大、极快，通信铁塔设计服役年限为50 a，在此期间，一旦基础被破坏，将对铁塔造成致命威胁。检测站点均位于茶卡盐湖以及察尔汗盐湖区域，服役年限均在10 a以上。双速度法检测与维护站的超声波检测将同时进行，超声波检测的结果将用于与双速度法检测结果相互验证，保证检测结果的准确性。

2.2 检测结果与分析

采用RSM-PRT(M)型基桩低应变检测仪，检测时将一个传感器置于桩顶，桩基础侧壁开挖0.3 m后放置第二个传感器，加上桩外伸出地面的0.2 m，两个传感器的间距为0.5 m。其中茶卡盐湖区域检测14个基站，察尔汗盐湖检测8个基站，检测基站分布如图3所示。检测仪器读取数据与缺陷位置分析结果如表1所示。

图3 检测基站分布

表1 检测仪器读取数据与缺陷位置分析结果

如表1所示，检测仪可读取出波的时间节点，t1，t2为下行波经过两传感器的时间节点；t3，t4为由缺陷位置产生的反射波上行经过两传感器的时间节点；t5，t6为由桩底产生的反射波上行经过两传感器的时间节点。波速c可由仪器自动计算得出，桩长及缺陷位置可由数据导出后计算机分析得出。

用时间参数求出波速和桩长后，与设计桩长相比，误差均在0.2 m内，说明采用双速度法测量桩长是可行的。其中19号和20号基站的桩出现缺陷，笔者通过检测数据计算出了缺陷位置，分别位于距离桩顶2.3 m和4.6 m处。

5号基站位于7号基站北侧1.2 km处，维护人员同时进行超声波检测和双速度法检测，均未发现桩基异常。5号基站检测波形如图4所示，除因上部地脚螺栓部分造成的紊乱外，波形以平稳状态缓慢减益，符合无损桩基的反射波形状。

图4 5号基站检测波形

7号基站位于茶卡盐湖，距离茶卡盐湖中央湖区仅120米，服役时间超过10 a，为高45 m的单管景观塔基础，设计桩长为9.8 m，属人工挖孔灌注桩，采用C30混凝土。维护站技术人员经超声波及其他检测办法测得其距离桩顶2.35 m左右出现扩径缺陷。7号基站检测波形如图5所示，发现上行波图像出现明显紊乱，经仪器降噪处理后测得缺陷位置在距离桩顶2.3 m处，与超声波检测结果误差很小，基本可确认检测结果准确。

图5 7号基站检测波形

20号基站位于察尔汗盐湖，距离位于盐湖中央湖区边缘，服役时间为13 a，维护站确认其曾在春汛期间被卤水淹没。20号基站为高30米的景观塔，设计桩长为7 m，属人工挖孔灌注桩，采用C30混凝土灌注。维护站技术人员经超声波检测及其他检测办法发现距离桩顶4.6 m处出现离析与侵蚀缺陷。20号基站检测波形如图6所示，发现两传感器接收到的波形出现紊乱，上行波波形也出现明显紊乱，说明检测结果准确。