韓 亮
（歐美大地儀器設(shè)備有限公司，北京 100062）
摘要：對于既有基礎(chǔ)下的基樁，其樁身完整性檢測被公認(rèn)為很難實現(xiàn)的。采用雙速度測試和分析技術(shù)可以解決在既有基礎(chǔ)下基樁的完整性、平均波速以及從實測信號中分離出上行波曲線。本文較為詳細(xì)地介紹了基樁雙速度測試和分析技術(shù)，同時也指出了雙速度測試中影響測試效果的各種因素。通過實例分析表明，雙速度測試技術(shù)對既有基礎(chǔ)下基樁完整性檢測是可行的。隨著不斷改善測試方法，克服實際工況條件下的不利因素，這一方法必將得到廣泛應(yīng)用。
1 前言
對于舊樓改造或舊橋評估來講，由于歷史原因常缺少準(zhǔn)確的地質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工或驗收檢測等相關(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，其樁身完整性無法采用常規(guī)的低應(yīng)變反射法進行檢測。到目前為止，尚未尋找到有效的測試方法，成為公認(rèn)地工程難題之一。近年來美國工程技術(shù)人員提出基樁雙速度測試和分析技術(shù)，為既有基礎(chǔ)下基樁樁身完整性檢測帶來希望。通過不斷改進測試方法，克服實際工況條件下不利因素，勢必會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)相連且樁長未知時，采用應(yīng)力波反射法測試有兩個復(fù)雜因素?zé)o法回避：（1）樁身平均波速未知，影響樁長的確定；（2）由于應(yīng)力波本質(zhì)是縱波，縱波屬于體波。對于既有結(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別出來，避免與樁身阻抗變化或樁底引起的上行反射波混淆。為此引入雙速度測試方法，沿樁側(cè)安裝兩個加速度傳感器，同時采集兩個加速度信號，通過計算可以確定兩個傳感器間樁身平均速度以及從實測波形中分離出上行應(yīng)力波。
雙速度測試方法用于既有結(jié)構(gòu)下樁身完整性測試原理為在樁身側(cè)面距離樁頂z1和z2處分別安裝兩個加速度計A1和A2。測試時在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間的變化，其中L表示樁長，c表示樁身平均波速，應(yīng)力波沿樁身傳到樁底的時間為L/c，樁底反射波到達(dá)A1處時間為2L/c。時間t1和t2分別是A1和A2下行應(yīng)力波的到達(dá)時間，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)時間。
2.1 平均波速的確定
由于實測了兩個速度曲線，可采用下式計算樁身平均波速
(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的時間差（t2-t1或t4-t3）
圖1 雙速度測試示意圖
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2.1.1手動分析
利用t2-t1代替式（1）中的，得到
(2)
當(dāng)t1、z1和z2不變時，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)力波傳播線通過沖擊脈沖的起點，上行應(yīng)力波傳播線通過樁底反射的起點。手動調(diào)整波速，使得應(yīng)力波以合理的傳播途徑穿過四個時間t1、t2、t3和t4。
2.1.2自動分析
如圖2所示，固定A1速度曲線（實線曲線），沿時間軸向右移動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間應(yīng)該相同。若波速和兩傳感器間距不正確，將不能自動使兩個樁底反射峰重疊。調(diào)整波速（或兩傳感器間距）使兩個樁底反射時間相同，由此得到樁身平均波速。
圖2 自動確定平均波速
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），沿時間軸移動A1速度曲線（實線曲線），直到找到與A2速度脈沖匹配的時間，如圖3（b）所示，然后利用式（1）計算波速。
圖3 互相關(guān)分析確定平均波速 (a)實測速度曲線 (b)互相關(guān)曲線
2.2上行應(yīng)力波
在基樁動測技術(shù)中，無論是高應(yīng)變法還是低應(yīng)變法，上行應(yīng)力波是最為重要的。因為只有上行應(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。對于既有結(jié)構(gòu)下基樁完整性來講，獲得上行應(yīng)力波更為重要。
舉一個簡單的例子，樁頂上部存在一個承臺基礎(chǔ)，承臺頂部允許敲擊，樁身上只安裝一個加速度傳感器，如圖4所示。使用手錘敲擊承臺頂部。由速度記錄可觀察到如下反射信號：（1）由沖擊作用產(chǎn)生的下行應(yīng)力波；（2）由承臺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，Johnson et al.(1996)[1]給出下行波速度計算公式：
(3)
式中：
―傳感器Ax處t 時刻的實測速度；
―傳感器Ax處t 時刻計算的下行波速度；
―應(yīng)力波由傳感器A1到A2的傳播時間。
上行波速度可由下式計算：
（4）
式中：
―傳感器Ax處t 時刻的計算的上行波速度。
圖4 應(yīng)力波在承臺下帶有缺陷的樁身中傳播路徑
3 實例分析
試樁為一橫截面積25.4cm×25.4cm，樁長12.2m的預(yù)制混凝土樁。兩個加速度傳感器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)生兩個應(yīng)力波,一個向上傳播稱為“應(yīng)力波1”，另一個向下傳播稱為“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。對測試來講，有效波是來自樁底的反射（3）、（4）和（7）的上行波。圖6為A1處的實測曲線。若無樁長和樁身結(jié)構(gòu)資料很難從曲線中辨別出樁底反射。
圖6 A1處實測曲線
A1和A2處的實測速度曲線如圖7（a）所示，其中實線為A1速度曲線，虛線為A2速度曲線；計算的上行波速度曲線如圖7（b）所示，可以看出有三個主要反射峰，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。
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圖7上行波計算曲線 (a)實測速度曲線 (b)計算的上行波速度曲線
4 結(jié)論
理論和實踐證明，采用雙速度分析技術(shù)測試既有基礎(chǔ)下基樁完整性是行之有效的方法。為測試既有基礎(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，有時敲擊點選擇很困難，影響實測曲線質(zhì)量。特別是
A2處實測信號容易受到各種因素干擾，對平均波速的準(zhǔn)確確定和上行波計算造成影響。當(dāng)然傳感器間距、標(biāo)定系數(shù)、采樣頻率等也都會影響測試精度。這些問題還需實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗，結(jié)合具體情況調(diào)整和改善測試方法，克服實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
