關于應力波在PHC管樁接頭部位反射問題的探討

張吾渝 王雪峰 忻元躍

0 引言

PHC管樁由于單樁承載力高,施工速度快,價格適宜等較多優點,被基礎工程廣泛采用。管樁接頭通常采用接頭板焊接,焊接質量的好壞直接決定管樁的承載力水平。由于接頭板的廣義波阻抗比混凝土的廣義波阻抗大,根據一維縱波理論,管樁與接頭板交界處將產生一個明顯的反射波。同時接頭板焊接處焊縫面積引起的阻抗變化也會導致在焊縫處產生反射波。事實上在測樁現場,接頭部位經常檢測不到反射波,即使檢測到了反射波,檢測人員也只是簡單的將反射波信號與焊接質量直接掛鉤,造成誤判[2]。

本文分析了管樁接頭部位可能出現的反射情況,并解釋了實測現場不能檢測到管樁接頭部位反射波的現象。

1 基樁應力波反射法求解器

“基樁應力波反射法求解器”是由作者自主開發的小型工具軟件。軟件將基樁離散為一維線形粘性體連續模型,并考慮樁身阻抗,土阻力及裂隙的影響,基于特征線法求解樁任意截面上的力和速度。

本文用“基樁應力波反射法求解器”模擬PHC管樁的接頭部位,計算分析了影響管樁接頭部位反射波的可能因素。

2 管樁接頭部位的反射

2.1 管樁與接頭板交界處反射

假設接頭板焊接斷面良好接觸,完全不留縫隙,應力波在混凝土—鋼—混凝土中傳遞。根據一維縱波理論,有:

其中,ρ,ρ′分別為樁身、接頭板的密度;C,C′分別為樁身、接頭板中的波速;A為樁身橫截面面積;VR,VI分別為反射波速、入射波速;Z,Z′分別為混凝土、鋼的廣義波阻抗。

當接頭板焊接良好時,將接頭板看成一整體,此時Z/Z′＜1,由式(1)可得:

式(2)表明,管樁與接頭板交界處由于波阻抗的變化會激發出幅值為 VR的反向反射波,傳播至樁頂幅值加倍。

同理,當式(1)中的 n′=Z′/Z 時,可得式(3):

式(3)表明,在接頭板與管樁交界處,同樣會產生一個幅值很大的同向反射。

用“基樁應力波反射法求解器”模擬接頭部位,計算得到不考慮阻尼時樁頂的速度,見圖1。

從圖1可以看出,縱波在管樁接頭部位產生明顯的反向反射和同向反射,這是由阻抗的變化引起的。

由于應力波在接頭板中的傳播時間遠小于激振脈寬,因此管樁和接頭板交界處的反向反射波與接頭板和管樁交界處的同向反射波的時間差極小,大部分波形產生疊加,導致了疊加后的反射幅值低于|F|×UI,見圖2。

2.2 接頭板處焊縫反射

事實上焊接時,不可能保證焊接后接頭板達到100%接觸,當焊縫面積相對于接頭板面積發生變化時,此時接頭處的阻抗變化明顯,因此在焊縫處會產生明顯的反射波(見圖3)。

假設焊縫的面積為Ah,故焊縫的廣義波阻抗為Zh=ρhChAh,由式(1)可知:

上式可求得:

根據式(1)可得:

假設 m=Z/Z′＜1,由式(6)易知:

1)Ah/A＜m時有Fh＞0,故 A點反射波與入射波同向。同理,B點將產生反向反射,如圖4所示。

2)Ah/A＞m時Fh＜0,與 1)中分析相反,A點反射波與入射波反向,B點反射波與入射波同向,如圖5所示。

2.3 管樁與接頭板交界處反射波和焊縫處反射波疊加

根據波形疊加原理,圖1,圖4兩種情況波形疊加時,峰值被削弱,甚至看不到反射波。

由于接頭板厚度不大,管樁接頭部位的多次反射波時間差均很小,因此將式(2),式(6)簡單疊加有:

其中,Ah為焊縫面積;A為管樁橫截面面積。當 VR=0時,入射波形在 A點,焊縫處,B點平滑過渡,在實際檢測中表現為幾乎檢測不到反射波。求解該方程得:

該式即入射波在管樁接頭處反射波幾乎不可見的條件下用“基樁應力波反射法求解器”計算 g取值時的情況,如圖6～圖8′所示。

式(8)適用于脈沖寬度較大的情況,此時反射波在A點,焊縫處,B點疊加的范圍較大,因此反射波更加微弱。

3 脈寬對管樁接頭部位反射波的影響

A型PHC管樁,樁徑 500 mm,壁厚100 mm,混凝土強度C80,兩節 10 m長樁焊接,端頭板規格 500×100,厚度20 mm。

為了分析激振脈寬對管樁接頭部位反射波的影響,取激振脈寬分別為0.5 ms,1 ms,2 ms進行計算。

通過對比可以看出,在滿足式(8)時,管樁接頭部位的面積變化明顯,然而在樁頂仍然很難獲得接頭部位的反射波。

當脈沖寬度越窄時,入射波的衰減要慢,同時也可以相對清楚的找到管樁接頭部位;當脈沖寬度逐步增大時,管樁接頭部位的反射波幾乎消失。

4 工程實例分析

兩根PHC管樁采用接頭板對接,按照施工規范焊接,施焊飽滿。圖9,圖10分別為施焊前后實測的波形曲線。

由圖9可以看出,施焊前,焊縫處幾乎沒有接觸,此時會產生幅值很大的同向反射,即使是疊加后幅值仍舊比較明顯;施焊后,由于焊縫處的阻抗比變小導致焊縫處反射波幅值變小,因此疊加后管樁接頭部位的反射幅值也會變小。圖10表明反射波幅值由1.4 V0減小到0.17 V0,這與理論分析是一致的。

已知當焊縫面積與管樁截面面積的比值為100%時,管樁接頭部位的反射波見圖1。因此由該工程實例中波形曲線圖9,圖10及圖1的變化趨勢說明了式(8)表示的臨界值g是存在的。同時也表明在實測現場,不能簡單的以接樁處的反射波來判斷焊接質量,而要按照反射波曲線的性質來分析判斷管樁接頭部位的焊縫面積大小,從而確定焊接質量的優劣。

5 結論與建議

應力波因受土阻力、樁身阻抗或面積變化、裂隙作用等影響,都會產生反射波。由于管樁接頭部位的混凝土和鋼波阻抗不同,焊縫處焊接質量導致接觸面積產生變化,理論上在檢測中會檢測出管樁接頭部位產生明顯的反射。然而由于激振脈寬,波形疊加及焊縫質量等原因導致了檢測中幾乎見不到接頭部位的反射,通過本文的分析,可以得出以下結論:

1)在樁身阻抗發生變化時激發的透射波會削減反射波,同時由于管樁和接頭板接頭處、焊縫兩處均有阻抗變化,因此會產生疊加和干擾,從而使管樁接頭的反射削弱,波形曲線趨于平滑。2)引起焊縫處反射不可見的原因主要是混凝土和鋼的阻抗比及激振脈寬。當焊縫面積與管樁橫截面面積滿足式(8)時,管樁接頭部位反射波很難被檢測到,特別是當激振脈沖寬度越大時,幾乎檢測不到管樁接頭部位的反射。3)實際檢測中,若檢測不到接頭部位的反射,可以嘗試采用高頻的激振脈沖將接頭部位的信號“顯式化”,同時采用高頻的激振信號也有利于檢測出淺部缺陷和細部缺陷。

[1] 王雪峰,吳世明.基樁動測技術[M].北京:科學出版社,2001.

[2] 黃良機,林奕禧.應力波在預制管樁接頭處傳播性能的試驗研究[J].工程質量,2005(6):50-51.

[3] 袁加貝,劉建平.低應變反射波法樁基測試中的幾個要點[J].巖土工程界,2005,8(12):121.

[4] 王靖濤.樁基應力波檢測理論及工程應用[M].北京:地震出版社,1999.