基桩低应变反射波法的理论基础

【摘 要】 基桩动力检测法以其快速、准确、经济的优点成为基桩完整性检测的一种重要手段。随着人们研究的深入,基桩动力检测法也在不断的发展。就目前而言,有以下几种动力试桩方法:动力参数法、共振法、反射波法、机械阻抗法、水电效应法、波动方程法、改进的动力打桩公式法和静动法。

【关键词】 基桩动力检测法;低应反射波法

【中图分类号】 TU753 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123(2010)03-026-02

1基本原理

反射波法是以应力波在桩身中的传播反射特征为理论基础的一种方法。该方法为连续弹性的一维均质杆件,并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响。因此,桩的典型弹性体震动模型是直杆的纵向震动。在推导直杆的纵向震动方程时,作以下基本假设:

1.1桩受击振动是在弹性限度内。桩基在振动时,桩内各质点的位移、应力和应变之间的关系都服从弹克定律。对于动力测桩来说,激振力很小,并且是可以控制的。因此,桩的振动完全满足这一假设要求。

1.2材料是均匀或分段均匀且各向同性的。作为混凝土材料的桩,在拉伸与压缩特性方面存在明显差异,而且也是不均匀的,但是在微米级的弹性振动范围内,仍然可以近似满足这一假设要求或这种差异可以忽略。

1.3纵向振动时其横截面保持为平面,而且每个截面上的应力是均匀分布的,且为轴向应力,所有其它应力分量均为零。

纵杆的长度比桩体的横截面尺寸大的多,从而不考虑横向位移对纵向运动的效应。

1.4取直杆的轴线做x轴,假设变形前的原始截面积A、密度?籽、弹性模量E及其他材料性能参数均与坐标无关,各运动参数仅为x和t的函数,直杆各截面的纵向震动位移可表示为u(x,t),根据达郎贝尔原理有:

A(?滓x+■dx)-A?滓x=A?籽dx■

在上式中A(?滓x+■dx)=A?滓x'为x+dx处截面上合力,A?滓x为x处截面上的合力。A?籽dx■为惯性力。应用虎克定律,得:?滓x=E■另外:C=■,将上式代入A(?滓x+■dx)=A?滓x',即得到直杆纵向振动的微分方程:■=■■。

上式就是反射波法测桩的波动方程。需要说明的是推导过程中作了4条基本假定,而实际的桩身仅能近似满足以上假定,应力波沿桩身传播过程中会出现畸变即所谓的弥散现象,例如桩身截面变化引起的三维效应以及横向惯性效应等。这样得到的计算结果中会不可避免地存在一些误差,但一般来讲已能满足工程检测的要求。

2低应变应力波反射法检测技术目前存在问题

应力波反射法桩基检测技术,具有检测速度快、反应直观、适应性强等特点,所以在目前的低应变桩基检测中得到广泛应用。但该技术同其他检测技术一样还存在大量的问题还有待进一步进行探索,如:

2.1尚无法对缺陷准确定性。目前依据波阻抗的变化,仅能有把握地将缺陷区分成缩颈类与扩颈类。如缩颈与离析、严重离析与断桩,夹层与裂缝不能很好地区分。进一步确定缺陷的性质需要检测经验及其他补充资料。

2.2对缺陷程度的定量分析尚不理想。由于波速计算或选取不准,据此计算的缺陷位置的误差在10%左右。缺陷在桩轴的高度及分布以及缺陷质量下降的程度均难以准确计算在内。

2.3对阻抗渐变类的缺陷难以判断,甚至可能得出相反的结论。例如缩颈、离析、扩颈等发生在桩身的某一段,缺陷程度由轻至重或由重至轻,相应波阻抗缓慢减小或增大,实测信号将无法反映这一变化。特殊情况下,例如桩渐缩后突然恢复到原截面,则可能得出桩身存在扩颈这种“有利”缺陷的结论,这是很危险的。

2.4当在一根桩中存在多个较大缺陷时,入射波通过第一个缺陷后,透射波的强度已大大降低,难以识别第二个缺陷。在完全断裂的情况下,形成全反射,入射波无法通过第一个缺陷。即使后面的微弱的缺陷反射波可以测得,应力波的多次反射的结果也给计算分析带来困难。现有的低应变分析方法,对第一个缺陷的分析尚可做到,但对后面缺陷损坏程度的估算误差就难以控制了。如第一缺陷在浅部时,尚可以通过开挖并凿去上部缺陷再行检测,否则只能通过其他方法进一步检测。

2.5长径比超过一定限度的桩、浅部缺陷或太小的缺陷,反射波都无法正确检测。

3低应变应力波反射法检测技术问题的对策

3.1依据桩型、桩长、桩径采用合理的振源,选择合适的测桩仪和传感器,进行必要的信号后处理,充分考虑地质、施工条件等因素,了解可能出现的缺陷种类以及各类缺陷的特征,可以有效提高采集波形质量及分析水平。综合分析同一工程的其他被检桩,寻找各桩之间的共性,有利于对单桩检测结果的分析判断。

3.2提高反射波检测水平的另一途径是有效利用目前采集的信息。在时域分析的基础上,辅以频域分析;借鉴其它低应变检测的方法的分析经验,例如可以借鉴水电效应法利用功率谱各峰值的相对大小判断桩身缺陷程度的分析方法。

3.3信息量的不足是制约反射波法识别能力的首要因素,因此应在目前单纯利用纵波分析的基础上,提取更多的信息。这方面已有不少研究人员作了尝试并取得了一定的效果。

以上三条都是从技术角度出发提出的提高反射波法检测水平的建议。从管理的角度来说,通过制定更切实可行的标准;加强对检测单位的管理;增加行业内的交流等等,可以有效地促进反射波法测桩水平的提高。

4结论

低应变反射法检测桩身完整性具有省时、快捷、简便及经济等优点,在保证桩基工程质量、加快施工进度等方面起到积极的作用。在工程运用中,可以检测断桩、缩颈、扩颈及离析等桩基缺陷,也可以确定桩身缺陷的具置。但由于其局限性,有的时候仍存在误差,因此需要综合考虑各种条件对桩基检测情况的进行判定,并且应在实际检测中不断积累经验,提高检测水平,为新建工程提供准确可靠的检测结果。

参考文献

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