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1 前言

對(duì)于舊樓改造或舊橋評(píng)估來(lái)講，由于歷史原因常缺少準(zhǔn)確的地質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工或驗(yàn)收檢測(cè)等相關(guān)資料。特別是隱蔽工程的地下樁基礎(chǔ)，由于其與上部結(jié)構(gòu)相連接，其樁身完整性無(wú)法采用常規(guī)的低應(yīng)變反射法進(jìn)行檢測(cè)。到目前為止，尚未尋找到有效的測(cè)試方法，成為公認(rèn)地工程難題之一。近年來(lái)美國(guó)工程技術(shù)人員提出基樁雙速度測(cè)試和分析技術(shù)，為既有基礎(chǔ)下基樁樁身完整性檢測(cè)帶來(lái)希望。通過(guò)不斷改進(jìn)測(cè)試方法，克服實(shí)際工況條件下不利因素，勢(shì)必會(huì)成為解決這一難題的有效方法。

 2 基本原理

當(dāng)既有基礎(chǔ)下基樁樁頂與上部結(jié)構(gòu)相連且樁長(zhǎng)未知時(shí)，采用應(yīng)力波反射法測(cè)試有兩個(gè)復(fù)雜因素?zé)o法回避：（1）樁身平均波速未知，影響樁長(zhǎng)的確定；（2）由于應(yīng)力波本質(zhì)是縱波，縱波屬于體波。對(duì)于既有結(jié)構(gòu)下基樁，縱波在結(jié)構(gòu)交界面處或樁頂處會(huì)產(chǎn)生極為復(fù)雜應(yīng)力波，不僅產(chǎn)生下行波，而且產(chǎn)生上行波。這些次生的反射波必須要識(shí)別出來(lái)，避免與樁身阻抗變化或樁底引起的上行反射波混淆。為此引入雙速度測(cè)試方法，沿樁側(cè)安裝兩個(gè)加速度傳感器，同時(shí)采集兩個(gè)加速度信號(hào)，通過(guò)計(jì)算可以確定兩個(gè)傳感器間樁身平均速度以及從實(shí)測(cè)波形中分離出上行應(yīng)力波。

雙速度測(cè)試方法用于既有結(jié)構(gòu)下樁身完整性測(cè)試原理為在樁身側(cè)面距離樁頂z1和z2處分別安裝兩個(gè)加速度計(jì)A1和A2。測(cè)試時(shí)在A1之上某一位置沖擊樁身，可以得到A1和A2兩條速度曲線，如圖1所示。A1和A2曲線中包含了上行波和下行波速度。圖中顯示了應(yīng)力波傳播路徑及兩道速度隨時(shí)間的變化，其中L表示樁長(zhǎng)，c表示樁身平均波速，應(yīng)力波沿樁身傳到樁底的時(shí)間為L/c，樁底反射波到達(dá)A1處時(shí)間為2L/c。時(shí)間t1和t2分別是A1和A2下行應(yīng)力波的到達(dá)時(shí)間，而t3和t4分別是A2和A1上行應(yīng)力波（樁底反射波）的到達(dá)時(shí)間。

2.1 平均波速的確定

由于實(shí)測(cè)了兩個(gè)速度曲線，可采用下式計(jì)算樁身平均波速

                                         (1)

式中：c―樁身平均波速；

―加速度傳感器A1和A2之間的已知距離（z2-z1）；

 
―到達(dá)加速度傳感器A1和A2的時(shí)間差（t2-t1或t4-t3）

圖1 雙速度測(cè)試示意圖

2.1.1手動(dòng)分析

利用t2-t1代替式（1）中的，得到

                                  (2)

當(dāng)t1、z1和z2不變時(shí)，改變波速將影響t2和傳播線傾角。正確的波速應(yīng)使下行應(yīng)力波傳播線通過(guò)沖擊脈沖的起點(diǎn)，上行應(yīng)力波傳播線通過(guò)樁底反射的起點(diǎn)。手動(dòng)調(diào)整波速，使得應(yīng)力波以合理的傳播途徑穿過(guò)四個(gè)時(shí)間t1、t2、t3和t4。

2.1.2自動(dòng)分析

如圖2所示，固定A1速度曲線（實(shí)線曲線），沿時(shí)間軸向右移動(dòng)A2速度曲線（虛線曲線）。如果A1和A2間距和波速正確，兩條速度曲線的樁底反射時(shí)間應(yīng)該相同。若波速和兩傳感器間距不正確，將不能自動(dòng)使兩個(gè)樁底反射峰重疊。調(diào)整波速（或兩傳感器間距）使兩個(gè)樁底反射時(shí)間相同，由此得到樁身平均波速。

圖2 自動(dòng)確定平均波速

2.1.3互相關(guān)分析

利用互相關(guān)分析方法計(jì)算樁身平均波速。如圖3（a）所示，固定A2速度曲線（虛線曲線），沿時(shí)間軸移動(dòng)A1速度曲線（實(shí)線曲線），直到找到與A2速度脈沖匹配的時(shí)間，如圖3（b）所示，然后利用式（1）計(jì)算波速。

圖3 互相關(guān)分析確定平均波速 (a)實(shí)測(cè)速度曲線 (b)互相關(guān)曲線

2.2上行應(yīng)力波

    在基樁動(dòng)測(cè)技術(shù)中，無(wú)論是高應(yīng)變法還是低應(yīng)變法，上行應(yīng)力波是最為重要的。因?yàn)橹挥猩闲袘?yīng)力波才能反映樁身阻抗變化或土阻力變化信息，因此上行應(yīng)力波是有效波。對(duì)于既有結(jié)構(gòu)下基樁完整性來(lái)講，獲得上行應(yīng)力波更為重要。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，樁頂上部存在一個(gè)承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)頂部允許敲擊，樁身上只安裝一個(gè)加速度傳感器，如圖4所示。使用手錘敲擊承臺(tái)頂部。由速度記錄可觀察到如下反射信號(hào)：（1）由沖擊作用產(chǎn)生的下行應(yīng)力波；（2）由承臺(tái)界面反射形成的下行應(yīng)力波；（3）由缺陷反射形成的上行應(yīng)力波；（4）由承臺(tái)界面反射形成的下行應(yīng)力波；（5）由樁底反射形成的上行應(yīng)力波。其中缺陷反射的上行波（3）和樁底反射的上行波（5）是有效波，而沖擊作用和承臺(tái)界面引起的下行波是需要加以區(qū)分的。

為了將上行應(yīng)力波分離出來(lái)，Johnson et al.(1996)^[1]給出下行波速度計(jì)算公式：

            (3)

    式中：―傳感器Ax處t 時(shí)刻的實(shí)測(cè)速度；

          ―傳感器Ax處t 時(shí)刻計(jì)算的下行波速度；

          ―應(yīng)力波由傳感器A1到A2的傳播時(shí)間。

上行波速度可由下式計(jì)算：

                              （4）

式中：―傳感器Ax處t 時(shí)刻的計(jì)算的上行波速度。

圖4 應(yīng)力波在承臺(tái)下帶有缺陷的樁身中傳播路徑

3 實(shí)例分析

試樁為一橫截面積25.4cm×25.4cm，樁長(zhǎng)12.2m的預(yù)制混凝土樁。兩個(gè)加速度傳感器A1和A2分別安裝在樁頂以下4.57m和5.18m處。沖擊位置在樁頂以下3.96m處。如圖5所示。敲擊后，產(chǎn)生兩個(gè)應(yīng)力波,一個(gè)向上傳播稱(chēng)為“應(yīng)力波1”，另一個(gè)向下傳播稱(chēng)為“應(yīng)力波2”。

圖5 試樁的應(yīng)力波傳播圖

“應(yīng)力波1”向上至樁頂反射，“應(yīng)力波2”向下至樁底反射。A1處觀測(cè)到的速度變化包括：（1）“應(yīng)力波2”的沖擊脈沖；（2）“應(yīng)力波1”的樁頂反射；（3）“應(yīng)力波2”的樁底反射；（4）“應(yīng)力波1”的樁底反射；（5）“應(yīng)力波2”的樁頂反射；（6）“應(yīng)力波1”的樁頂反射；（7）“應(yīng)力波2”的樁底反射。對(duì)測(cè)試來(lái)講，有效波是來(lái)自樁底的反射（3）、（4）和（7）的上行波。圖6為A1處的實(shí)測(cè)曲線。若無(wú)樁長(zhǎng)和樁身結(jié)構(gòu)資料很難從曲線中辨別出樁底反射。

圖6 A1處實(shí)測(cè)曲線

A1和A2處的實(shí)測(cè)速度曲線如圖7（a）所示，其中實(shí)線為A1速度曲線，虛線為A2速度曲線；計(jì)算的上行波速度曲線如圖7（b）所示，可以看出有三個(gè)主要反射峰，分別位于7.6m、11.6m和19.8m處。顯然，位于7.6m處的第一個(gè)主反射是樁底反射。如果只使用A1，則很難確定樁底反射位置，甚至可能將3.5m的反射誤以為缺陷。

圖7上行波計(jì)算曲線 (a)實(shí)測(cè)速度曲線 (b)計(jì)算的上行波速度曲線

4 結(jié)論

理論和實(shí)踐證明，采用雙速度分析技術(shù)測(cè)試既有基礎(chǔ)下基樁完整性是行之有效的方法。為測(cè)試既有基礎(chǔ)下基樁樁身平均波速和提取上行應(yīng)力波提出了新思路。然而需要提醒的是既有基礎(chǔ)形式各異，工礦條件非常復(fù)雜，有時(shí)敲擊點(diǎn)選擇很困難，影響實(shí)測(cè)曲線質(zhì)量。特別是

A2處實(shí)測(cè)信號(hào)容易受到各種因素干擾，對(duì)平均波速的準(zhǔn)確確定和上行波計(jì)算造成影響。當(dāng)然傳感器間距、標(biāo)定系數(shù)、采樣頻率等也都會(huì)影響測(cè)試精度。這些問(wèn)題還需實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體情況調(diào)整和改善測(cè)試方法，克服實(shí)際工況條件下的不利因素，這一方法必將得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Johnson, M., and Rausche, F., (1996), “Low Strain Testing of Piles Utilizing Two Acceleration Signals,” StressWave 1996, Orlando, FL, p.859-869